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9.6: Werkzeuge zum Studium der Evolution - Biologie

9.6: Werkzeuge zum Studium der Evolution - Biologie


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Mythen über die Erde

Dieses interessante Bild ist eine Darstellung der Erde aus dem 19. Jahrhundert, die auf einem alten hinduistischen Mythos basiert. Dem Mythos zufolge ruht die Erde auf dem Rücken von Elefanten, die wiederum auf dem Rücken einer Riesenschildkröte stehen. Praktisch alle menschlichen Kulturen und Religionen haben Mythen über die Erde und ihre Ursprünge entwickelt. Zum Beispiel dachten viele Westler bis vor kurzem, dass die Erde an einem Tag erschaffen wurde und dass dies erst vor einigen tausend Jahren geschah. Eine Vielzahl von Beweisen hat jedoch die wissenschaftliche Gemeinschaft seitdem davon überzeugt, dass die Erde vor unglaublichen 4,5 bis 4,6 Milliarden Jahren durch natürliche Prozesse aus Sternenstaub entstanden ist. Es gibt auch Hinweise darauf, dass das Leben zum ersten Mal vor bis zu 4 Milliarden Jahren auf der Erde auftauchte und sich seitdem weiterentwickelt.

Erde an einem Tag

Es kann schwierig sein, sich mit so großen Zeiträumen wie dem Alter der Erde und ihren frühen Lebensformen auseinanderzusetzen. Eine nützliche Methode, sich die relativen Zeiträume vorzustellen, die zwischen dem Ursprung der Erde und wichtigen Ereignissen in der biologischen Evolution verstrichen sind, besteht darin, die Gesamtzeit auf einen 24-Stunden-Tag zu verdichten, wie in Abbildung (PageIndex{2}) gezeigt. In dieser Größenordnung hätte sich die Erde um Mitternacht gebildet, und das erste Leben wäre gegen 3:00 Uhr morgens aufgetaucht. Der Mensch wäre nur in der letzten Minute des Tages aufgetaucht. Wenn wir solche Neuankömmlinge auf dem Planeten Erde sind, woher wissen wir dann über die lange Zeit, die vor uns lag? Wie haben wir von der fernen Vergangenheit erfahren?

Der Fossilienbestand

Vieles von dem, was wir über die Geschichte des Lebens auf der Erde wissen, basiert auf Fossilienfunden, daher ist dies ein äußerst wichtiges Werkzeug für das Studium der Evolution. Die Fossilien ist die Aufzeichnung des Lebens, das sich über vier Milliarden Jahre auf der Erde entfaltet hat, wie es aus der Entdeckung und Analyse von Fossilien rekonstruiert wurde. Fossilien sind die erhaltenen Überreste oder Spuren von Organismen, die in der Vergangenheit gelebt haben. Die Weichteile von Organismen zersetzen sich nach dem Tod fast immer schnell. Gelegentlich bleiben die harten Teile – hauptsächlich Knochen, Zähne oder Schalen – lange genug, um zu mineralisieren und Fossilien zu bilden. Ein Beispiel für ein vollständiges fossiles Skelett ist in Abbildung (PageIndex{3}) abgebildet.

Um als Fossilien zu erhalten, müssen Überreste schnell von Sedimenten bedeckt oder auf andere Weise konserviert werden. Zum Beispiel können sie in Gletschern eingefroren oder in Baumharz oder Gestein eingeschlossen sein, wie der Frosch in Abbildung (PageIndex{4}). Manchmal bleiben Spuren von Organismen – wie Fußabdrücke oder Höhlen – erhalten. Die Bedingungen, die für die Bildung von Fossilien erforderlich sind, treten selten ein. Daher ist die Chance, dass ein bestimmter Organismus als Fossil erhalten bleibt, äußerst gering.

Damit Fossilien uns die Geschichte des Lebens „erzählen“ müssen, muss ihre Chronologie festgelegt werden. Das bedeutet, dass Fossilien datiert werden müssen. Nur dann können sie Wissenschaftlern helfen, zu rekonstruieren, wie sich das Leben im Laufe der Zeit verändert hat. Fossilien können auf zwei verschiedene Arten datiert werden, die relative Datierung und die absolute Datierung.

  • Relatives Dating bestimmt, welches von zwei Fossilien älter oder jünger ist als das andere, aber nicht ihr Alter in Jahren. Die relative Datierung basiert auf den Positionen von Fossilien in Gesteinsschichten. Untere Schichten wurden früher abgelagert, daher wird angenommen, dass sie ältere Fossilien enthalten. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
  • Absolutes Dating bestimmt, wie lange es her ist, dass ein fossiler Organismus gelebt hat, und gibt das fossile Alter in Jahren an. Die absolute Datierung kann auf der Menge an Kohlenstoff-14 oder anderen radioaktiven Elementen basieren, die in einem Fossil verbleiben.

Molekulare Uhren

Molekulare Uhren sind auch wertvolle Werkzeuge für das Studium der Evolution. EIN molekular Uhr verwendet DNA-Sequenzen (oder die Aminosäuresequenz von Proteinen, für die die DNA kodiert), um abzuschätzen, wie lange es her ist, dass verwandte Arten von einem gemeinsamen Vorfahren abgewichen sind. Molekulare Uhren basieren auf der Annahme, dass sich Mutationen im Laufe der Zeit mit einer konstanten durchschnittlichen Rate für eine bestimmte DNA-Region ansammeln. Es wird angenommen, dass sich Arten, die größere Unterschiede in ihren DNA-Sequenzen angesammelt haben, in der ferneren Vergangenheit von ihrem gemeinsamen Vorfahren abgewichen haben. Molekulare Uhren, die auf verschiedenen DNA-Regionen basieren, können für mehr Genauigkeit zusammen verwendet werden. Sehen Sie sich die DNA-Vergleiche in der Tabelle unten an. Basierend auf diesen Daten, welcher Organismus hat Ihrer Meinung nach den jüngsten gemeinsamen Vorfahren mit dem Menschen geteilt?

Tabelle (PageIndex{1}): DNA-Ähnlichkeiten von Schimpansen-, Maus-, Hühner- und Fruchtfliegenarten sind mit der menschlichen DNA.
OrganismusÄhnlichkeit mit menschlicher DNA (Prozent)
Schimpanse98
Maus85
Hähnchen60
Fruchtfliege44

Feature: Mythos vs. Realität

Mythos: Lücken im Fossilienbestand widerlegen die Evolution.

Wirklichkeit: Lücken im Fossilienbestand, in denen keine Übergangsfossilien zwischen Ahnen- und Nachkommengruppen gefunden wurden, sind zu erwarten. Die Wahrscheinlichkeit, dass Organismen versteinert werden, ist gering. Einige Organismen sind nicht gut konserviert, und die für die Versteinerung erforderlichen Bedingungen sind nur selten vorhanden. Wenn die Evolution schnell abläuft, sind die Chancen, dass sich Übergangsfossilien bilden, noch geringer. Selbst wenn sich Fossilien von Übergangsorganismen bilden, müssen sie von Forschern entdeckt werden, um sie in den Fossilienbestand aufzunehmen. Die überwiegende Mehrheit der Fossilien wurde nicht gefunden. Forscher untersuchen den Fossilisierungsprozess, um herauszufinden, wie viel von dem Fossilienbestand noch nicht entdeckt wurde.

Glücklicherweise ist der Fossilienbestand wie Fingerabdrücke an einem Mordort nur ein Beweis für die Evolution. Neben Fossilien werden molekulare Sequenzen und andere Arten von Beweisen zusammen verwendet, um zu zeigen, wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat.

Rezension

  1. Zu welcher Zeit haben sich Säugetiere basierend auf einem 24-Stunden-Tag entwickelt? Wie viel von der Vergangenheit der Erde hatte zu diesem Zeitpunkt bereits stattgefunden? Wann haben sich die ersten Lebewesen entwickelt?
  2. Was ist der Fossilienbestand?
  3. Warum ist der Fossilienbestand unvollständig?
  4. Vergleichen und vergleichen Sie die relative und absolute Datierung von Fossilien.
  5. Erklären Sie, was molekulare Uhren über die Evolution des Lebens aussagen können.
  6. Warum ist es für das Studium der Evolution wichtig, das relative Alter eines Fossils im Vergleich zu einem anderen Fossil zu kennen?
  7. Wenn sich Fossil A über Fossil B und Fossil B über Fossil C in verschiedenen Gesteinsschichten befindet, ordne die drei Fossilien nach ihrem wahrscheinlichen Alter, vom ältesten bis zum jüngsten.
  8. Mit welchem ​​Werkzeug könnten Sie die evolutionären Beziehungen zwischen noch lebenden Arten untersuchen?
    1. Kohlenstoff-14-Datierung
    2. Molekulare Uhren
    3. Relative Position im Fossilienbestand
    4. Nichts des oben Genannten
  9. Verwenden Sie die Geschichte der Erde an einem Tag Modell oben, um die folgenden Fragen zu beantworten.
    1. Was war zuerst da, freier Sauerstoff auf der Erde oder die Evolution der Tiere?
    2. In welcher geologischen Periode hat sich vielzelliges Leben entwickelt?
    3. Wie viel der Erdgeschichte war ungefähr vergangen, bevor sich die Eukaryoten entwickelten?
    4. Wie heißt unsere aktuelle Ära?
  10. Richtig oder falsch. Fossilien bestehen immer aus tatsächlichem Gewebe ausgestorbener Organismen.
  11. Richtig oder falsch. Die absolute Datierung von Fossilien wird normalerweise mit einer molekularen Uhr durchgeführt.

Erkunde mehr

Wie würde es aussehen, wenn wir die 4,5 Milliarden Jahre alte Geschichte der Erde in den 24-Stunden-Zeitrahmen eines normalen Tages packen würden? Schau es dir hier an:

Die Kohlenstoffdatierung ermöglicht es uns, das Alter von

Material. Erfahren Sie hier mehr:


Die verborgene universelle Verteilung von Aminosäure-Biosynthesenetzwerken: eine genomische Perspektive auf ihren Ursprung und ihre Evolution

Zwanzig Aminosäuren bilden die universellen Bausteine ​​von Proteinen. Ihre Biosyntheserouten scheinen jedoch nicht universell zu sein Escherichia coli-zentrierte Perspektive. Dennoch ist es notwendig, ihren Ursprung und ihre Entwicklung in einem globalen Kontext zu verstehen, d. h. mehr „Modellarten“ und alternative Routen einzubeziehen, um dies zu tun. Wir verwenden einen vergleichenden Genomik-Ansatz, um die Ursprünge und die Evolution alternativer Aminosäure-Biosynthese-Netzwerkzweige zu untersuchen.

Ergebnisse

Indem wir die taxonomische Verteilung von Aminosäurebiosyntheseenzymen verfolgten, sagten wir einen Kern aus weit verteilten Netzwerkverzweigungen voraus, die mindestens 16 der 20 Standardaminosäuren biosynthetisieren, was darauf hindeutet, dass dieser Kern in alten Zellen vor der Trennung der drei zellulären Domänen von Leben. Darüber hinaus beschreiben wir die Verteilung von zwei Arten alternativer Verzweigungen zu diesem Kern: Analoga, Enzyme, die dieselbe Reaktion katalysieren (unter Verwendung derselben Metaboliten) und zu verschiedenen Superfamilien und „Alternologen“ gehören, hier definiert als Verzweigungen, die über verschiedene Metaboliten ablaufen , zum gleichen Endprodukt konvergieren. Wir vermuten, dass der Ursprung alternativer Zweige eng mit verschiedenen Umweltmetabolitenquellen und Lebensstilen zwischen den Arten zusammenhängt.

Abschluss

Die in dieser Arbeit verwendete Multiorganismen-Samenstrategie verbessert die Präzision der Datierung und Bestimmung der evolutionären Beziehungen zwischen den Aminosäure-Biosynthesezweigen. Diese Strategie könnte auf verschiedene Stoffwechselwege und sogar andere biologische Prozesse ausgedehnt werden. Darüber hinaus führen wir das Konzept des 'alternolog' ein, das nicht nur eine wichtige Rolle in den Beziehungen zwischen Struktur und Funktion in biologischen Netzwerken spielt, sondern, wie hier gezeigt, auch starke Implikationen für deren Evolution hat, fast gleichbedeutend mit Paralogie und Analogie.


9.6: Werkzeuge zum Studium der Evolution - Biologie

Bei Infektionskrankheiten ist eine schnelle und genaue Identifizierung des Erregers für eine wirksame Behandlung und Behandlung von entscheidender Bedeutung, aber die Diagnose bleibt eine Herausforderung, insbesondere in Gebieten mit begrenzten Ressourcen. Methoden zum genauen Nachweis von Krankheitserreger-Nukleinsäuren können robuste, genaue, schnelle und hochempfindliche Technologien für die Point-of-Care-Diagnose von Krankheitserregern bereitstellen und somit Informationen liefern, die für das Krankheitsmanagement und die Behandlung von unschätzbarem Wert sind. Für den Nachweis von Krankheitserregern wurden mehrere Technologien, meist PCR-basiert, eingesetzt, diese erfordern jedoch teure Reagenzien und Ausrüstung sowie qualifiziertes Personal. CRISPR/Cas-Systeme wurden aufgrund ihrer Fähigkeit, spezifische DNA- und RNA-Sequenzen genau zu erkennen und zu spalten, für die Genom-Editierung verwendet. Darüber hinaus weisen bestimmte CRISPR/Cas-Systeme, einschließlich Orthologe von Cas13, Cas12a und Cas14 nach der Erkennung der Zielsequenz, begleitende unspezifische katalytische Aktivitäten auf, die für den Nukleinsäurenachweis verwendet werden können, beispielsweise durch Abbau einer markierten Nukleinsäure, um ein fluoreszierendes . zu erzeugen Signal. CRISPR/Cas-Systeme sind für Multiplexing geeignet, wodurch ein einzelner diagnostischer Test mehrere Ziele bis hin zu attomolaren (10–18 mol/L) Konzentrationen von Zielmolekülen identifizieren kann. Die Entwicklung von Geräten, die CRISPR/Cas mit Lateral-Flow-Systemen koppeln, kann eine kostengünstige, genaue, hochempfindliche und im Feld einsetzbare Diagnostik ermöglichen. Diese Sensoren haben unzählige Anwendungen, von der menschlichen Gesundheit bis zur Landwirtschaft. In diesem Aufsatz diskutieren wir die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der CRISPR-basierten Biosensortechnologien und heben Erkenntnisse über deren potenzielle Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen hervor.

Briefe
Intelligente mikrobielle Zellen koppeln Katalyse und Sensorik, um eine Hochdurchsatz-Selektion einer Organophosphat-Hydrolase zu ermöglichen

Enzym-Engineering für den Funktionsgewinn erfordert die effiziente Navigation durch einen großen kombinatorischen Sequenzraum. Typischerweise sind viele Mutationen erforderlich, um signifikante Verbesserungen zu erzielen, während eine einzelne „schlechte“ Mutation das Enzym inaktivieren kann. Um ein Hochdurchsatz-Screening zu etablieren und eine verbesserte Auflösung zwischen zwei Varianten zu erreichen, wurden genetische Bibliotheken des Organophosphat-Hydrolase-Enzyms Paraoxonase 1 (PON1) schnell über einen konstruierten Positiv-Feedback-Kreislauf gescreent: ein p-Nitrophenol (PNP)-spezifischer Transkriptionsfaktor (TF ) regulierte die Expression von PON1, die den Paraoxonabbau und die PNP-Produktion katalysierte. Seltene aktive Mutantenkolonien, die durch einfache visuelle Fluoreszenz einer PON1-grün fluoreszierenden Protein (GFP)-Fusion gepickt wurden, wurden charakterisiert. In einer einzigen Screening-Runde ermöglichte ein hoher Durchsatz (im Bibliotheksmaßstab) die Entdeckung einer verstärkten Paraoxon-Abbauaktivität in PON1, einschließlich strukturell unerwarteter Mutationen.

Mikrobielle Synthese von Human-Hormon Melatonin im Grammbereich
  • Hao Luo* ,
  • Konstantin Schneider,
  • Ulla Christensen,
  • Yang Lei,
  • Markus Herrgard und
  • Bernhard Ø. Palsson

Melatonin ist ein kommerziell attraktives, von Tryptophan abgeleitetes Hormon. Hier beschreiben wir einen Bioprozess zur Herstellung von Melatonin unter Verwendung von Escherichia coli zu hohen Titern. Der erste gentechnisch veränderte Stamm produzierte unter Fed-Batch-Fermentationsbedingungen 0,13 g/l Melatonin aus Tryptophan. Eine 4-fache Verbesserung des Melatonin-Titers wurde außerdem durch (1) Protein-Engineering der geschwindigkeitsbestimmenden Tryptophan-Hydroxylase zur Verbesserung der 5-Hydroxytryptophan-Biosynthese und (2) chromosomale Integration der Decarboxylase aromatischer Aminosäuren zur Begrenzung der Nebenproduktbildung und zur Minimierung von Genen erreicht Toxizität für die Wirtszelle. Die Fermentationsoptimierung verbesserte den Melatonin-Titer um ein zusätzliches 2-faches. Die Deletion von yddG, einem Tryptophan-Exporteur, zeigte einen zusätzlichen positiven Effekt. Der endgültige gentechnisch veränderte Stamm produzierte ∼ 2,0 g/l Melatonin mit extern ergänztem Tryptophan und ∼ 1,0 g/l mit Glukose als einziger Kohlenstoffquelle für die Tryptophanversorgung. Diese Studie legt den Grundstein für die Weiterentwicklung eines kommerziellen Melatonin-produzierenden E. coli-Stammes.

Funktionelle Identifizierung von zwei Arten von Carotin-Hydroxylasen aus der Grünalge Dunaliella bardawil Reich an Lutein
  • Ming Hua Liang ,
  • Hong Xie,
  • Hao-Hong Chen,
  • Zhi-Cong Liang und
  • Jian-Guo Jiang*

Die salztolerante einzellige Alge Dunaliella bardawil FACHB-847 kann große Mengen Lutein akkumulieren, aber die zugrunde liegende Ursache der massiven Luteinakkumulation ist noch unbekannt. In dieser Studie wurden aus D. bardawil Gene kloniert, die für zwei Arten von Carotin-Hydroxylasen kodieren, d. h. β-Carotin-Hydroxylase (DbBCH) und Cytochrom-P450-Carotinoid-Hydroxylase (DbCYP97s DbCYP97A, DbCYP97B und DbCYP97C). Ihre Substratspezifitäten und Enzymaktivitäten wurden durch funktionelle Komplementationsassays in Escherichia coli getestet. Es wurde gezeigt, dass DbBCH die Hydroxylierung der β-Ringe von β- und α-Carotin katalysieren kann und einen geringen Gehalt an ε-Hydroxylase aufweist. Im Gegensatz zu CYP97A aus höheren Pflanzen konnte DbCYP97A β-Carotin nicht hydroxylieren. DbCYP97A und DbCYP97C zeigten eine hohe Hydroxylase-Aktivität gegenüber dem β-Ring bzw. ε-Ring von α-Carotin. DbCYP97B zeigte eine geringe Aktivität gegenüber dem β-Ring von α-Carotin. Die hohe Akkumulation von Lutein in D. bardawil kann auf die vielfältigen Wege der Luteinbiosynthese zurückzuführen sein, die aus α-Carotin mit Zeinoxanthin oder α-Cryptoxanthin als Zwischenstufen durch DbBCH und DbCYP97s erzeugt wird. Zusammenfassend liefert diese Studie Erkenntnisse zum Verständnis der zugrunde liegenden Ursache für die hohe Produktion von Lutein in der halophilen Grünalge D. bardawil FACHB-847.

An der Schraube drehen: Entwicklung extremer pH-Beständigkeit in Escherichia coli durch kombinatorische synthetische Operons
  • Guilherme M. V. de Siqueira ,
  • Rafael Silva-Rocha und
  • Maria-Eugenia Guazzaroni*

Die Einführung von Mikroorganismen als Plattformen für eine nachhaltige biobasierte Produktion erfordert, dass Wirtszellen in der Lage sind, rauen Bedingungen standzuhalten, die normalerweise weit von denen entfernt sind, in denen diese Organismen von Natur aus an das Gedeihen angepasst sind. Allerdings können neuartige Überlebensmechanismen, die durch die Untersuchung von Mikrobiomen aus extremen Lebensräumen entdeckt wurden, genutzt werden, um die mikrobielle Robustheit unter den strengen Bedingungen zu verbessern, die für verschiedene industrielle Anwendungen erforderlich sind. In dieser Arbeit wurden Ansätze der synthetischen Biologie verwendet, um eine verbesserte Säureresistenz in Escherichia coli durch die Charakterisierung einer Sammlung einzigartiger Operons zu erzeugen, die aus kombinatorischen Anordnungen von drei neuen Genen aus einer extremen Umgebung und drei synthetischen Ribosomenbindungsstellen besteht. Die hier präsentierten Ergebnisse veranschaulichen die Wirksamkeit der Kombination verschiedener metagenomischer Gene für Resistenz in synthetischen Operons, da die Expression dieser Gencluster den Überlebensprozentsatz von Zellen, die einem sauren Schock in minimalem Medium bei pH 1,9 unter aeroben Bedingungen ausgesetzt waren, um das Hundertfache erhöhte.

Umfassende Analyse genomischer Safe Harbors als Zielstellen für die stabile Expression des heterologen Gens in HEK293-Zellen
  • Seunghyeon Shin ,
  • Su Hyun Kim,
  • Gesungener Wook Shin ,
  • Lise Marie Grav,
  • Lasse Ebdrup Pedersen,
  • Jae Seong Lee* , und
  • Gyun Min Lee*

Menschliche Zelllinien werden aufgrund ihrer menschlichen Glykosylierungsmaschinerie zunehmend als Wirtszellen verwendet, um therapeutische Glykoproteine ​​herzustellen. In einem Versuch, eine Plattform zur Erzeugung isogener humaner Zelllinien zu entwickeln, die therapeutische Proteine ​​basierend auf einer gezielten Integration produzieren, wurden drei bekannte humane genomische sichere Häfen (GSHs) – AAVS1, CCR5 und humane ROSA26-Loci – hinsichtlich der Transgenexpression evaluiert Konzentration und Stabilität in humanen embryonalen Nierenzellen (HEK293). Unter den drei GSHs zeigte der AAVS1-Locus die höchste eGFP-Expression mit der höchsten Homogenität. Die Transgenexpression am AAVS1-Locus wurde ohne Selektion für ungefähr 3 Monate aufrechterhalten. Darüber hinaus zeigte der CMV-Promotor die höchste Expression, gefolgt von den EF1α-, SV40- und TK-Promotoren am AAVS1-Locus. Masterzelllinien wurden durch CRISPR/Cas9-vermittelte Integration des Landeplatzes in den AAVS1-Locus erstellt und zur schnelleren Erzeugung rekombinanter Zelllinien verwendet, die therapeutische Proteine ​​mit Rekombinase-vermitteltem Kassettenaustausch produzieren.

Automatisierte kontinuierliche Evolution von Proteinen in Vivo
  • Ziwei Zhong,
  • Brandon G. Wong ,
  • Arjun Ravikumar,
  • Garri A. Arzumanyan ,
  • Ahmad S. Khalil* , und
  • Chang C. Liu*

Wir präsentieren die automatisierte kontinuierliche Evolution (ACE), eine Plattform für die freihändige gerichtete Evolution von Biomolekülen. ACE kombiniert OrthoRep, ein genetisches System für die kontinuierliche gezielte Mutagenese von vom Benutzer ausgewählten Genen in vivo, mit eVOLVER, einem skalierbaren und automatisierten kontinuierlichen Kulturgerät zur präzisen Multiparameter-Regulierung von Wachstumsbedingungen. Durch die Implementierung von Echtzeit-Feedback-gesteuertem Tuning der Selektionsstringenz mit eVOLVER durchquerten interessierende Gene, die auf OrthoRep kodiert sind, autonom adaptive Multimutationspfade, um gewünschte Funktionen, einschließlich Medikamentenresistenz und verbesserte Enzymaktivität, zu erreichen. Die Dauerhaftigkeit, Skalierbarkeit und Geschwindigkeit der biomolekularen Evolution mit ACE sollte auf das Protein-Engineering sowie prospektive Studien darüber angewendet werden, wie Selektionsparameter und Zeitpläne die Anpassung beeinflussen.

Pattern Engineering von lebenden Bakterienkolonien mit meniskusgesteuerten Fluidkanälen
  • Wassili Kantsler* ,
  • Elena Ontañón-McDonald ,
  • Cansu Kuey,
  • Manjari J. Ghanshyam ,
  • Maria Chiara Roffin und
  • Muehiro Asally*

Die Entwicklung adaptiver, nachhaltiger und dynamischer Biomaterialien ist eine bevorstehende Mission der synthetischen Biologie. Die Entwicklung räumlich organisierter Bakteriengemeinschaften hat das Potenzial, solche Biometamaterialien zu entwickeln. Eine Herausforderung bleibt jedoch die Generierung von Wohnmustern mit Präzision, Robustheit und einer geringen technischen Barriere. Hier präsentieren wir eine einfach implementierbare Technik zur Musterung lebender Bakterienpopulationen unter Verwendung eines kontrollierten meniskusgesteuerten Fluidiksystems namens MeniFluidics. Wir demonstrieren Multiskalenmusterung von Biofilmkolonien und Schwärmen mit Submillimeterauflösung. Durch die schnellere Ausbreitung von Bakterien in Flüssigkeitskanälen ermöglicht MeniFluidics kontrollierten Bakterienkolonien sowohl räumlich als auch zeitlich, fluoreszenzmarkierte Bacillus subtilis-Stämme in einem konvergierten Muster zu organisieren und dynamische Wirbelmuster in eingegrenzten Bakterienschwärmen zu bilden. Die Robustheit, Genauigkeit und die niedrige technische Barriere von MeniFluidics bieten ein Werkzeug für die Weiterentwicklung und Erfindung neuer lebender Materialien, die mit gentechnisch veränderten Systemen kombiniert werden können und die Grundlagenforschung zu ökologischen, evolutionären und physikalischen Wechselwirkungen zwischen Mikroben ergänzen.

Dynamische Zellprogrammierung mit Quorum Sensing-gesteuerter CRISPRi-Schaltung
  • Yilan Liu,
  • Jinjin Chen,
  • David Crisante,
  • Jhoselyn Marisol Jaramillo Lopez und
  • Radhakrishnan Mahadevan*

Die Synthetische Biologie ermöglicht schnelle Fortschritte in den Bereichen Biomanufacturing und Live-Therapeutika. Dynamische Schaltkreise, die verwendet werden können, um zelluläre Ressourcen und das Verhalten mikrobieller Gemeinschaften zu regulieren, stellen einen bestimmenden Schwerpunkt der synthetischen Biologie dar und haben enormes Interesse geweckt. Die existierenden dynamischen Schaltkreise sind jedoch meistens von der Geneditierung abhängig oder basieren auf Zelllyse, was ihre breite und bequeme Anwendung einschränkt, und in einigen Fällen können solche auf Lyse basierenden Schaltkreise aufgrund der Evolution an genetischer Instabilität leiden. Es gibt nur begrenzte Forschung zu Quorum Sensing-unterstütztem CRISPRi, das unabhängig von der Genbearbeitung funktionieren kann. Hier haben wir eine Reihe von Quorum-Sensing-kontrollierten CRISPRi-Systemen (Q-CRISPRi) konstruiert, die Bakterien dynamisch programmieren können, indem sie maßgeschneiderte sgRNA verwenden, ohne Zelllyse einzuführen. Wir haben Q-CRISPRi-Schaltkreise erfolgreich angewendet, um Genexpression, Populationsdichte, Phänotyp, physikalische Eigenschaften und die Zusammensetzung der Gemeinschaft von mikrobiellen Konsortien dynamisch zu programmieren. Die hier berichteten Strategien stellen Methoden für die dynamische Zellprogrammierung dar und könnten bei der Programmierung industriell und medizinisch wichtiger Mikroorganismen wirksam sein, um deren Stoffwechsel und Verhalten besser zu kontrollieren.

Artikel
Ein auf kleine Moleküle ansprechender Riboswitch ermöglicht die bedingte Induktion der viralen Vektor-vermittelten Genexpression bei Mäusen
  • Benjamin Ströbel,
  • Matthias J. Düchs ,
  • Dragica Blazevic,
  • Philipp Rechtsteiner,
  • Clemens Braun,
  • Katja S. Baum-Kroker ,
  • Bernhard Schmid,
  • Thomas Ciossek,
  • Dirk Gottschling,
  • Jörg S. Hartig und
  • Sebastian Kreuz*

Adeno-assoziierte virale (AAV) Vektor-vermittelte Gentherapie birgt großes Potenzial für zukünftige medizinische Anwendungen. Um jedoch eine sicherere und breitere Anwendbarkeit zu ermöglichen und eine patientenorientierte Versorgung zu ermöglichen, sollte die therapeutische Proteinexpression kontrollierbar sein, idealerweise durch ein oral verabreichtes Medikament. Die Verwendung von Systemen auf Proteinbasis wird aufgrund der potentiellen Immunogenität und des begrenzten Kodierungsraums von AAV als eher unerwünscht angesehen. Ligandenabhängige Riboschalter sind dagegen klein und zeichnen sich durch einen attraktiven Wirkmechanismus aus, der auf mRNA-Selbstspaltung basiert, unabhängig von koexprimierten Fremdproteinen. Obwohl es sich um einen vielversprechenden Ansatz handelt, haben die bisher verfügbaren Schalter bei Tieren nur eine mäßige Wirksamkeit gezeigt. Insbesondere ON-Schalter, die nach Ligandenverabreichung die Transgenexpression induzieren, haben bisher eher enttäuschende Ergebnisse erzielt. Hier präsentieren wir die Verwendung des zuvor beschriebenen Tetracyclin-abhängigen Ribozyms K19 zur Kontrolle der AAV-vermittelten Transgenexpression in Mäusen. Mit diesem Werkzeugschalter liefern wir den ersten Nachweis für die Machbarkeit klinisch gewünschter Schlüsselmerkmale, einschließlich Multiorganfunktionalität, potenter Regulation (bis zu 15-fache Induktion), Reversibilität und der Möglichkeit, die Expression fein abzustimmen und wiederholt zu induzieren. Die systematische Bewertung von Liganden- und Reporterprotein-Plasmaspiegeln ermöglichte außerdem die Charakterisierung von pharmakokinetisch-pharmakodynamischen Beziehungen. Somit unterstützen unsere Ergebnisse nachdrücklich zukünftige Bemühungen, technisch konstruierte Riboschalter für Anwendungen in der klinischen Gentherapie zu entwickeln.

Käfigaktivatoren künstlicher allosterischer Proteinbiosensoren
  • Selvakumar Edwardraja,
  • Zhong Guo,
  • Jason Whitfield,
  • Ignacio Retamal Lantadilla ,
  • Wayne A. Johnston ,
  • Patricia Walden,
  • Claudia E. Vickers und
  • Kirill Alexandrov*

Die Fähigkeit von Proteinen, nicht verwandte biochemische Inputs und Outputs ineinander umzuwandeln, liegt den meisten Energie- und Informationsverarbeitungen in der Biologie zugrunde. Ein üblicher Umwandlungsmechanismus beinhaltet eine Konformationsänderung eines Proteinrezeptors als Reaktion auf eine Ligandenbindung oder eine kovalente Modifikation, was zu einer allosterischen Aktivitätsmodulation der Effektordomäne führt. Der rationale Entwurf solcher Systeme ist ein zentrales Ziel der synthetischen Biologie und des Protein-Engineering. Ein sensorisches Zweikomponentensystem, das auf dem Gerüst von Modulen in Gegenwart eines Analyten basiert, ist eine der am besten verallgemeinerbaren Biosensorarchitekturen. Ein inhärentes Problem solcher Systeme ist die Abhängigkeit der Reaktion von den absoluten und relativen Konzentrationen der Komponenten. Hier verwenden wir das Beispiel von zweikomponentigen sensorischen Systemen basierend auf Calmodulin-betriebenen synthetischen Schaltern, um dieses Problem zu analysieren und zu adressieren. Wir konstruierten „eingesperrte“ Versionen der aktivierenden Domäne, wodurch eine thermodynamische Barriere für die spontane Aktivierung des Systems geschaffen wurde. Wir zeigen, dass die photoaktivierbaren Biosensorarchitekturen bei Konzentrationen von 3 Größenordnungen betrieben werden können und auf elektrochemische, lumineszierende und fluoreszierende Zweikomponenten-Biosensoren anwendbar sind. Wir analysierten die Aktivierungskinetik der photoaktivierbaren Biosensoren und stellten fest, dass der allosterische Kernschalter wahrscheinlich die geschwindigkeitsbestimmende Komponente des Systems ist. Diese Ergebnisse liefern eine Anleitung für die vorhersagbare Entwicklung robuster sensorischer Systeme mit Inputs und Outputs der Wahl.

Überwindung der Herausforderungen der Konstruktion von Plasmiden in Megabase-Größe in Escherichia coli
  • Takahito Mukai* ,
  • Tatsuya Yoneji,
  • Kayoko Yamada,
  • Hironobu Fujita,
  • Seia Nara und
  • Masayuki Su'etsugu*

Obwohl Escherichia coli ein beliebtes Werkzeug für die Plasmidkonstruktion war, wurde angenommen, dass dieses Bakterium „ungeeignet“ sei, um ein großes Plasmid mit einer Größe von mehr als 500 Kilobasen zu konstruieren. Wir nahmen an, dass traditionellen Plasmidvektoren möglicherweise einige regulatorische DNA-Elemente fehlen, die für die stabile Replikation und Segregation eines so großen Plasmids erforderlich sind. Außerdem kann die Verwendung einiger weniger ortsspezifischer Rekombinationssysteme das Klonen großer DNA-Segmente erleichtern. Hier zeigen wir zwei Strategien zur Konstruktion von sekundären 1-Megabase (1-Mb)-Chromosomen unter Verwendung neuer bakterieller künstlicher Chromosomen (BAC)-Vektoren. Zunächst wurde das 3-Mb-Genom eines genomreduzierten E. coli-Stammes in zwei Chromosomen (2-Mb und 1-Mb) aufgespalten, von denen das kleinere den Replikationsursprung und den Partitionierungs-Locus des Vibrio tubiashii sekundären hat Chromosom. Diese Methode der Chromosomenspaltung (Flp-POP-Klonen) funktioniert über eine Flippase-vermittelte Exzision, die mit dem Wiederzusammenbau eines gespaltenen Chloramphenicol-Resistenzgens zusammenfällt und die Chloramphenicol-Selektion ermöglicht. Als nächstes entwickelten wir eine neue Klonierungsmethode (oriT-POP-Klonierung) und einen voll ausgestatteten BAC-Vektor (pMegaBAC1H) zur Entwicklung eines 1-Mb-Plasmids. Zwei 0,5-Mb-Genomregionen wurden sequentiell von zwei Spenderstämmen über Konjugation auf einen Empfängerstamm übertragen und durch pMegaBAC1H im Empfängerstamm eingefangen, um ein 1-Mb-Plasmid zu produzieren. Dieses 1-Mb-Plasmid war über Konjugation auf einen anderen E. coli-Stamm übertragbar. Darüber hinaus waren diese 1-Mb-Sekundärchromosomen in vitro unter Verwendung der rekonstituierten E. coli-Chromosomen-Replikationszyklusreaktion (RCR) amplifizierbar. Diese Strategien und Technologien würden beliebte E. coli-Zellen zu einer produktiven Fabrik für Designer-Chromosomen-Engineering machen.

Zweikomponenten-Biosensoren: Enthüllung der Mechanismen vorhersagbarer Abstimmbarkeit

Viele Studien wurden der Entwicklung zellulärer Biosensoren durch die Nutzung intrinsischer natürlicher Sensoren gewidmet. Biosensoren verlassen sich jedoch nicht nur auf die Eingangserkennung, sondern auch auf einen angemessenen Ansprechbereich. Daher ist es oft notwendig, natürliche Systeme vorhersagbar auf die Anforderungen bestimmter Anwendungen abzustimmen. In dieser Studie haben wir die Anpassbarkeit von bakteriellen Zweikomponenten-Biosensoren untersucht, indem wir die Hauptkomponente des Biosensors, d. h. das Rezeptorprotein, moduliert haben. Wir haben ein mathematisches Modell entwickelt, das die funktionelle Beziehung zwischen Rezeptorhäufigkeit und Aktivierungsschwelle, Empfindlichkeit, Dynamikbereich und Betriebsbereich beschreibt. Der definierte mathematische Rahmen ermöglicht das Design der genetischen Architektur eines Zweikomponenten-Biosensors, der mit minimaler Gentechnik bedarfsgerecht arbeiten kann. Um das Modell und seine Vorhersagen experimentell zu validieren, wurde eine Bibliothek von Biosensoren aufgebaut. Die gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Designs und experimentellen Ergebnissen zeigt, dass die Modulation der Rezeptorproteinhäufigkeit die Optimierung von Biosensordesigns mit minimaler Gentechnik ermöglicht.

Bakteriophagen-inspirierte wachstumsentkoppelte rekombinante Proteinproduktion in Escherichia coli
  • Patrick Stargardt,
  • Lukas Feuchtenhofer,
  • Monika Cserjan-Puschmann,
  • Gerald Striedner und
  • Jürgen Mairhofer*

Die Modulierung der Ressourcenallokation in Bakterien, um metabolische Bausteine ​​auf die Bildung rekombinanter Proteine ​​anstatt auf die Bildung von Biomasse umzuleiten, bleibt eine große Herausforderung in der Biotechnologie. Hier präsentieren wir einen neuartigen Ansatz für eine verbesserte rekombinante Proteinproduktion (RPP) mit Escherichia coli (E. coli) durch Entkopplung der rekombinanten Proteinsynthese vom Zellwachstum. Wir zeigen, dass die Zellteilung und die Wirts-mRNA-Transkription durch Coexpression eines von Bakteriophagen abgeleiteten E. coli-RNA-Polymerase (RNAP)-Inhibitorpeptids erfolgreich gehemmt werden können und dass Gene, die von der orthogonalen T7-RNAP übertranskribiert werden, schließlich >55% der Zelltrockenmasse ausmachen können ( CDM). Dieses RNAP-Inhibitor-Peptid bindet die E. coli-RNAP und verhindert daher die σ-Faktor 70-vermittelte Bildung von transkriptional qualifizierten offenen Promotorkomplexen. Dadurch wird die Transkription von -Faktor 70 gesteuerten Wirtsgenen gehemmt und metabolische Ressourcen können ausschließlich für die Synthese des interessierenden Proteins (POI) genutzt werden. Hier ahmen wir die späte Phase der Bakteriophageninfektion nach, indem wir einen von Phagen abgeleiteten xenogenen Regulator koexprimieren, der die Wirtszelle umprogrammiert und dadurch in der Lage ist, die RPP unter industriell relevanten Fed-Batch-Prozessbedingungen im Bioreaktormaßstab signifikant zu verbessern. Wir haben die Produktion mehrerer verschiedener rekombinanter Proteine ​​in verschiedenen Maßstäben (vom Mikromaßstab bis zum 20-l-Fed-Batch-Maßstab) evaluiert und konnten die Gesamt- und löslichen Proteinausbeuten im Vergleich zum Referenz-Expressionssystem E. coli BL21 . um das bis zu 3,4-fache verbessern (DE3). Dieser neuartige Ansatz für wachstumsentkoppelte RPP hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Biotechnologie und das Bioengineering und hilft dabei, kostengünstigere und generische Herstellungsverfahren für Biologika und Biomaterialien zu etablieren.

Multikomponenten-Mikrobiosynthese von unnatürlichen cyanobakteriellen Indolalkaloiden
  • Yogan Khatri,
  • Robert M. Hohlmann,
  • Johnny Mendoza,
  • Shasha Li,
  • Andrew N. Lowell ,
  • Haruichi Asahara und
  • David H. Sherman*

Genomsequenzierungs- und Bioinformatik-Tools haben die Identifizierung und Expression einer zunehmenden Zahl kryptischer biosynthetischer Gencluster (BGCs) erleichtert. Die funktionelle Analyse aller Komponenten eines Stoffwechselwegs zur genauen Bestimmung biokatalytischer Eigenschaften bleibt jedoch zeit- und arbeitsintensiv. Eine Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen, ist die zellfreie Proteinsynthese im Mikromaßstab (CFPS) für die direkte Gen-zur biochemischen Funktionsanalyse, die selten zur Untersuchung von enzymatischen Mehrkomponentensystemen in spezialisierten Stoffwechselvorgängen eingesetzt wurde. Unser Ziel war es, einen In-vitro-Transkriptions-/Translations-(TT)-Assay zu etablieren, um den Aufbau von aus Cyanobakterien stammenden Hapalindol-artigen Naturstoffen (cNPs) aufgrund ihrer vielfältigen Bioaktivitätsprofile und komplexen strukturellen Diversität zu beurteilen. Unter Verwendung eines CFPS-Systems mit einem Plasmid mit famD2-Prenyltransferase aus Fischerella ambigua UTEX 1903 zeigten wir die Produktion des zentralen prenylierten Zwischenprodukts (3GC) in Gegenwart von exogenem Geranyl-Pyrophosphat (GPP) und cis-Indol-Isonitril. Further addition of a plasmid bearing the famC1 Stig cyclase resulted in synthesis of both FamD2 and FamC1 enzymes, which was confirmed by proteomics analysis, and catalyzed assembly of 12-epi-hapalindole U. Further combinations of Stig cyclases (FamC1–C4) produced hapalindole U and hapalindole H, while FisC identified from Fischerella sp. SAG46.79 generated 12-epi-fischerindole U. The CFPS system was further employed to screen six unnatural halogenated cis-indole isonitrile substrates using FamC1 and FisC, and the reactions were scaled-up using chemoenzymatic synthesis and identified as 5- and 6-fluoro-12-epi-hapalindole U, and 5- and 6-fluoro-12-epi-fischerindole U, respectively. This approach represents an effective, high throughput strategy to determine the functional role of biosynthetic enzymes from diverse natural product BGCs.

Design and Experimental Evaluation of a Minimal, Innocuous Watermarking Strategy to Distinguish Near-Identical DNA and RNA Sequences
  • Francine J. Boonekamp ,
  • Sofia Dashko ,
  • Donna Duiker ,
  • Thies Gehrmann ,
  • Marcel van den Broek ,
  • Maxime den Ridder ,
  • Martin Pabst ,
  • Vincent Robert ,
  • Thomas Abeel ,
  • Eline D. Postma ,
  • Jean-Marc Daran , and
  • Pascale Daran-Lapujade*

The construction of powerful cell factories requires intensive and extensive remodelling of microbial genomes. Considering the rapidly increasing number of these synthetic biology endeavors, there is an increasing need for DNA watermarking strategies that enable the discrimination between synthetic and native gene copies. While it is well documented that codon usage can affect translation, and most likely mRNA stability in eukaryotes, remarkably few quantitative studies explore the impact of watermarking on transcription, protein expression, and physiology in the popular model and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae. The present study, using S. cerevisiae as eukaryotic paradigm, designed, implemented, and experimentally validated a systematic strategy to watermark DNA with minimal alteration of yeast physiology. The 13 genes encoding proteins involved in the major pathway for sugar utilization (i.e., glycolysis and alcoholic fermentation) were simultaneously watermarked in a yeast strain using the previously published pathway swapping strategy. Carefully swapping codons of these naturally codon optimized, highly expressed genes, did not affect yeast physiology and did not alter transcript abundance, protein abundance, and protein activity besides a mild effect on Gpm1. The markerQuant bioinformatics method could reliably discriminate native from watermarked genes and transcripts. Furthermore, presence of watermarks enabled selective CRISPR/Cas genome editing, specifically targeting the native gene copy while leaving the synthetic, watermarked variant intact. This study offers a validated strategy to simply watermark genes in S. cerevisiae.

Cell-Free Bacteriophage Genome Synthesis Using Low-Cost Sequence-Verified Array-Synthesized Oligonucleotides
  • Huiran Yeom ,
  • Taehoon Ryu ,
  • Amos Chungwon Lee ,
  • Jinsung Noh ,
  • Hansaem Lee ,
  • Yeongjae Choi ,
  • Namphil Kim , and
  • Sunghoon Kwon*

Synthesizing engineered bacteriophages (phages) for human use has potential in various applications ranging from drug screening using a phage display to clinical use using phage therapy. However, the engineering of phages conventionally involves the use of an in vivo system that has low production efficiency because of high virulence against the host and low transformation efficiency. To circumvent these issues, de novo phage genome synthesis using chemically synthesized oligonucleotides (oligos) has increased the potential for engineering phages in a cell-free system. Here, we present a cell-free, low-cost, de novo gene synthesis technology called Sniper assembly for phage genome construction. With massively parallel sequencing of microarray-synthesized oligos, we generated and identified approximately 100 000 clonal DNA clusters in vitro and 5000 error-free ones in a cell-free environment. To demonstrate its practical application, we synthesized the Acinetobacter phage AP205 genome (4268 bp) using 65 sequence-verified DNA clones. Compared to previous reports, Sniper assembly lowered the genome synthesis cost (.0137/bp) by producing low-cost sequence-verified DNA.

SRNA-Based Screening Chromosomal Gene Targets and Modular Designing Escherichia coli for High-Titer Production of Aglycosylated Immunoglobulin G
  • Jinhua Zhang ,
  • Yanshu Zhao ,
  • Yingxiu Cao ,
  • Zhenpeng Yu ,
  • Guoping Wang ,
  • Yiqun Li ,
  • Xiaoqiong Ye ,
  • Congfa Li ,
  • Xue Lin , and
  • Hao Song*

The production of the aglycosylated immunoglobulin G (IgG) in Escherichia coli has received wide interest for its analytical and therapeutic applications. To enhance the production titer of IgG, we first used synthetic sRNAs to perform a systematical analysis of the gene expression in the translational level in the glycolytic pathway (module 1) and the tricarboxylic acid (TCA) cycle (module 2) to reveal the critical genes for the efficient IgG production. Second, to provide sufficient amino acid precursors for the protein biosynthesis, amino acid biosynthesis pathways (module 3) were enhanced to facilitate the IgG production. Upon integrated engineering of these genes in the three modules (module 1, aceF module 2, gltA and acnA module 3, serB) and optimization of fermentation conditions, the recombinant E. coli enabled a titer of the full-assembled IgG of 4.5 ± 0.6 mg/L in flask cultures and 184 ± 9.2 mg/L in the 5 L high cell density fed-batch fermenter, which is, as far as we know, the highest reported titer of IgG production in recombinant E. coli.

Efficient Biosynthesis of Low-Molecular-Weight Poly-γ-glutamic Acid Based on Stereochemistry Regulation in Bacillus amyloliquefaciens
  • Yuanyuan Sha ,
  • Yueyuan Huang ,
  • Yifan Zhu ,
  • Tao Sun ,
  • Zhengshan Luo ,
  • Yibin Qiu ,
  • Yijing Zhan ,
  • Peng Lei ,
  • Sha Li , and
  • Hong Xu*

Low-molecular-weight poly-γ-glutamic acid (LMW-γ-PGA) has attracted much attention because of its many potential applications in food, agriculture, medicine, and cosmetics. Enzymatic degradation is an efficient way for the synthesis of LMW-γ-PGA. However, the stereochemistry of γ-PGA limits the degradation of γ-PGA. This study identifies the role of γ-PGA synthase (pgsA) and glutamate racemase (racE) in the regulation of γ-PGA stereochemistry and demonstrates their combinational use for LMW-γ-PGA synthesis. First, the expression of pgsA and racE was enhanced, leading to improvements both in the molecular weight (Mw) and the d-glutamate proportion of γ-PGA. Then, an optimal combination of pgsA, racE, and γ-PGA hydrolase pgdS was constructed by exchanging the gene origins for the synthesis of LMW-γ-PGA. Finally, the Mw of γ-PGA was decreased to 6–8 kDa, which was much lower compared with the case without stereochemistry switching (20–30 kDa). This study provides a novel strategy to control the Mw of γ-PGA based on stereochemistry regulation and lays a solid foundation for synthesis of LMW-γ-PGA.

Development of Novel Riboswitches for Synthetic Biology in the Green Alga Chlamydomonas
  • Payam Mehrshahi ,
  • Ginnie Trinh D. T. Nguyen ,
  • Aleix Gorchs Rovira ,
  • Andrew Sayer ,
  • Marcel Llavero-Pasquina ,
  • Michelle Lim Huei Sin ,
  • Elliot J. Medcalf ,
  • Gonzalo I. Mendoza-Ochoa ,
  • Mark A. Scaife , and
  • Alison G. Smith*

Riboswitches are RNA regulatory elements that bind specific ligands to control gene expression. Because of their modular composition, where a ligand-sensing aptamer domain is combined with an expression platform, riboswitches offer unique tools for synthetic biology applications. Here we took a mutational approach to determine functionally important nucleotide residues in the thiamine pyrophosphate (TPP) riboswitch in the THI4 gene of the model alga Chlamydomonas reinhardtii, allowing us to carry out aptamer swap using THIC aptamers from Chlamydomonas and Arabidopsis thaliana. These chimeric riboswitches displayed a distinct specificity and dynamic range of responses to different ligands. Our studies demonstrate ease of assembly as 5′UTR DNA parts, predictability of output, and utility for controlled production of a high-value compound in Chlamydomonas. The simplicity of riboswitch incorporation in current design platforms will facilitate the generation of genetic circuits to advance synthetic biology and metabolic engineering of microalgae.

Improved Production of Malic Acid in Aspergillus niger by Abolishing Citric Acid Accumulation and Enhancing Glycolytic Flux

Microbial fermentation was widely explored to produce malic acid. Previously, Aspergillus niger has been successfully engineered, and a high titer of malic acid was achieved with strain S575, but it also produced a high level of byproduct citric acid. Here, the capability of A. niger in malic acid biosynthesis was further improved by eliminating the accumulation of citric acid and enhancing glycolytic flux. Characterization of variant mutants suggested that disruption of cexA, a gene encoding citric acid transporter located on cell membrane, abolished citric acid accumulation. However, cexA-deficient strain S895 showed significantly decreased malic acid production. Further analysis of S895 indicated that the transcription level of genes involved in glucose transportation and glycolytic pathway was significantly reduced, and the corresponding enzyme activity was also lower than those of S575. Individual overexpression of genes encoding glucose transporter MstC and key enzymes (hexokinase HxkA, 6-phosphofructo-2-kinase PfkA, and pyruvate kinase PkiA) involved in irreversible reactions of glycolic pathway increased malic acid production. Accordingly, genes of mstC, hxkA, pfkA, and pkiA were overexpressed altogether in S895, and the resultant strain S1149 was constructed. The titer of malic acid in fed-batch fermentation with S1149 reached 201.13 g/L. Compared with S575, the byproduct of citric acid was completely abolished in S1149, and the ratio of malic acid/glucose was increased from 1.27 to 1.64 mol/mol, the highest yield reported so far, and the fermentation period was shortened from 9 to 8 days. Thus, a strain with great industrial application potential was developed by engineering nine genes in A. niger, and a pilot fermentation technology was exploited.

Genetic Engineering of Oligotropha carboxidovorans Strain OM5—A Promising Candidate for the Aerobic Utilization of Synthesis Gas
  • Daniel Siebert* ,
  • Tobias Busche ,
  • Aline Y. Metz ,
  • Medina Smaili ,
  • Bastian A. W. Queck ,
  • Jörn Kalinowski , and
  • Bernhard J. Eikmanns

Due to climate change and worldwide pollution, development of highly sustainable routes for industrial production of basic and specialty chemicals is critical nowadays. One possible approach is the use of CO2- and CO-utilizing microorganisms in biotechnological processes to produce value-added compounds from synthesis gas (mixtures of CO2, CO, and H2) or from C1-containing industrial waste gases. Such syngas fermentation processes have already been established, e.g., biofuel production using strictly anaerobic acetogenic bacteria. However, aerobic processes may be favorable for the formation of more costly (ATP-intensive) products. Oligotropha carboxidovorans strain OM5 is an aerobic carboxidotrophic bacterium and potentially a promising candidate for such processes. We here performed RNA-Seq analysis comparing cells of this organism grown heterotrophically with acetate or autotrophically with CO2, CO, and H2 as carbon and energy source and found a variety of chromosomally and of native plasmid-encoded genes to be highly differentially expressed. In particular, genes and gene clusters encoding proteins required for autotrophic growth (CO2 fixation via Calvin–Benson–Bassham cycle), for CO metabolism (CO dehydrogenase), and for H2 utilization (hydrogenase), all located on megaplasmid pHCG3, were much higher expressed during autotrophic growth with synthesis gas. Furthermore, we successfully established reproducible transformation of O. carboxidovorans via electroporation and developed gene deletion and gene exchange protocols via two-step recombination, enabling inducible and stable expression of heterologous genes as well as construction of defined mutants of this organism. Thus, this study marks an important step toward metabolic engineering of O. carboxidovorans and effective utilization of C1-containing gases with this organism.

A Reversibly Induced CRISPRi System Targeting Photosystem II in the Cyanobacterium Synechozystis sp. PCC 6803

The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 is used as a model organism to study photosynthesis, as it can utilize glucose as the sole carbon source to support its growth under heterotrophic conditions. CRISPR interference (CRISPRi) has been widely applied to repress the transcription of genes in a targeted manner in cyanobacteria. However, a robust and reversible induced CRISPRi system has not been explored in Synechocystis 6803 to knock down and recover the expression of a targeted gene. In this study, we built a tightly controlled chimeric promoter, PrhaBAD-RSW, in which a theophylline responsive riboswitch was integrated into a rhamnose-inducible promoter system. We applied this promoter to drive the expression of ddCpf1 (DNase-dead Cpf1 nuclease) in a CRISPRi system and chose the PSII reaction center gene psbD (D2 protein) to target for repression. psbD was specifically knocked down by over 95% of its native expression, leading to severely inhibited photosystem II activity and growth of Synechocystis 6803 under photoautotrophic conditions. Significantly, removal of the inducers rhamnose and theophylline reversed repression by CRISPRi. Expression of PsbD recovered following release of repression, coupled with increased photosystem II content and activity. This reversibly induced CRISPRi system in Synechocystis 6803 represents a new strategy for study of the biogenesis of photosynthetic complexes in cyanobacteria.

Bottom-Up Construction of a Minimal System for Cellular Respiration and Energy Regeneration
  • Olivier Biner* ,
  • Justin G. Fedor ,
  • Zhan Yin , and
  • Judy Hirst*

Adenosine triphosphate (ATP), the cellular energy currency, is essential for life. The ability to provide a constant supply of ATP is therefore crucial for the construction of artificial cells in synthetic biology. Here, we describe the bottom-up assembly and characterization of a minimal respiratory system that uses NADH as a fuel to produce ATP from ADP and inorganic phosphate, and is thus capable of sustaining both upstream metabolic processes that rely on NAD+, and downstream energy-demanding processes that are powered by ATP hydrolysis. A detergent-mediated approach was used to co-reconstitute respiratory mitochondrial complex I and an F-type ATP synthase into nanosized liposomes. Addition of the alternative oxidase to the resulting proteoliposomes produced a minimal artificial “organelle” that reproduces the energy-converting catalytic reactions of the mitochondrial respiratory chain: NADH oxidation, ubiquinone cycling, oxygen reduction, proton pumping, and ATP synthesis. As a proof-of-principle, we demonstrate that our nanovesicles are capable of using an NAD+-linked substrate to drive cell-free protein expression. Our nanovesicles are both efficient and durable and may be applied to sustain artificial cells in future work.

Construction of Inducible Genetic Switch for the Global Regulator WblA To Sustain Both Overproduction of Tiancimycins and On-Demand Sporulation in Streptomyces sp. CB03234
  • Fan Zhang ,
  • Die Gao ,
  • Jing Lin ,
  • Manxiang Zhu ,
  • Zhoukang Zhuang ,
  • Yanwen Duan* , und
  • Xiangcheng Zhu*

The complex life cycle of streptomycetes is closely related to their secondary metabolisms, all controlled by cascade regulations. Tiancimycins (TNMs) are ten-membered enediynes possessing great potential for antitumor drug development. However, their low yields in Streptomyces sp. CB03234 have greatly limited subsequent studies. Through transcriptome analysis and genetic characterization, we proved that WblA is one pivotal global regulator to repress the biosynthesis of TNMs. The deletion of wblA could significantly enhance the production of TNMs, but also abolish the sporulation in CB03234. By constructing the NitR-ε-caprolactam inducible genetic switch, the expression of wblA was governed in CB03234-NRW, thereby sustaining the overproduction of TNMs and recovering the normal sporulation upon induction, which were practical for the scaled-up production of TNMs. Considering the prevalence and conserved regulatory roles of WblA in streptomycetes, our developed strategy shall provide an effective and practical approach to facilitate titer improvement and discovery of natural products.

High-Throughput Screening for Substrate Specificity-Adapted Mutants of the Nisin Dehydratase NisB
  • Xinghong Zhao ,
  • Rubén Cebrián ,
  • Yuxin Fu ,
  • Rick Rink ,
  • Tjibbe Bosma ,
  • Gert N. Moll , and
  • Oscar P. Kuipers*

Microbial lanthipeptides are formed by a two-step enzymatic introduction of (methyl)lanthionine rings. A dehydratase catalyzes the dehydration of serine and threonine residues, yielding dehydroalanine and dehydrobutyrine, respectively. Cyclase-catalyzed coupling of the formed dehydroresidues to cysteines forms (methyl)lanthionine rings in a peptide. Lanthipeptide biosynthetic systems allow discovery of target-specific, lanthionine-stabilized therapeutic peptides. However, the substrate specificity of existing modification enzymes impose limitations on installing lanthionines in non-natural substrates. The goal of the present study was to obtain a lanthipeptide dehydratase with the capacity to dehydrate substrates that are unsuitable for the nisin dehydratase NisB. We report high-throughput screening for tailored specificity of intracellular, genetically encoded NisB dehydratases. The principle is based on the screening of bacterially displayed lanthionine-constrained streptavidin ligands, which have a much higher affinity for streptavidin than linear ligands. The designed NisC-cyclizable high-affinity ligands can be formed via mutant NisB-catalyzed dehydration but less effectively via wild-type NisB activity. In Lactococcus lactis, a cell surface display precursor was designed comprising DSHPQFC. The Asp residue preceding the serine in this sequence disfavors its dehydration by wild-type NisB. The cell surface display vector was coexpressed with a mutant NisB library and NisTC. Subsequently, mutant NisB-containing bacteria that display cyclized strep ligands on the cell surface were selected via panning rounds with streptavidin-coupled magnetic beads. In this way, a NisB variant with a tailored capacity of dehydration was obtained, which was further evaluated with respect to its capacity to dehydrate nisin mutants. These results demonstrate a powerful method for selecting lanthipeptide modification enzymes with adapted substrate specificity.


Studying human and nonhuman primate evolutionary biology with powerful in vitro and in vivo functional genomics tools

In recent years, tools for functional genomic studies have become increasingly feasible for use by evolutionary anthropologists. In this review, we provide brief overviews of several exciting in vitro techniques that can be paired with "-omics" approaches (e.g., genomics, epigenomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics) for potentially powerful evolutionary insights. These in vitro techniques include ancestral protein resurrection, cell line experiments using primary, immortalized, and induced pluripotent stem cells, and CRISPR-Cas9 genetic manipulation. We also discuss how several of these methods can be used in vivo, for transgenic organism studies of human and nonhuman primate evolution. Throughout this review, we highlight example studies in which these approaches have already been used to inform our understanding of the evolutionary biology of modern and archaic humans and other primates while simultaneously identifying future opportunities for anthropologists to use this toolkit to help answer additional outstanding questions in evolutionary anthropology.

Schlüsselwörter: CRISPR-Cas9 ancestral protein reconstruction cell lines evolutionary genomics iPSCs in vitro assays transgenic organisms.


Techniques used in Molecular Biology

Some of the most important techniques used in molecular biology are as follows:

Molecular Biology techniques include characterization, isolation and manipulation of the molecular components of cells and organisms.

These components include DNA, the repository of genetic information RNA, functional and structural part of the translational apparatus and proteins, the major structural and enzymatic type of molecule in cells.

One of the most basic techniques of molecular biology to study protein function is expression cloning.

In this technique, DNA coding for a protein of interest is cloned (using PGR and/or restriction enzymes) into a plasmid (known as an expression vector).

This plasmid may have special promoter elements to drive production of the protein of interest, and may also have antibiotic resistance markers to help follow the plasmid.

( ii ) Polymerase chain reaction:

The polymerase chain reaction is an extremely versatile technique for copying DNA. PCR allows a single DNA sequence to be copied (millions of times), or altered in predetermined ways. PGR has many variations, like reverse transcription PGR (RT-PGR) for amplification of RNA, and, more recently, real-time PGR (QPGR) which allow for quantitative measurement of j DNA or RNA molecules.

(iii) Gel electrophoresis:

Gel electrophoresis is one of the principal tools of molecular biology. The basic principle is that DNA, RNA, and proteins can all be separated by means of an electric field. In agarose gel electrophoresis, DNA and RNA can be separated on the basis of size by running the DNA through an agarose gel. Proteins can be separated on the basis of size by using SDS-PAGE (polyacrylamide ) gel.

(iv) Macromolecule blotting and probing Southern Blots:

The Southern blot is a method for probing for the presence of a specific DNA sequence within a DNA sample. These tools are widely used in forensic laboratories to identify individuals who have left blood or other DNA-containing material at the scene of crimes. The number of bands that hybridize to a short probe gives an estimate of the number of closely related genes in an organism.

The Northern blot is used to study the expression patterns of a specific type of RNA molecule as relative comparison among a set of different samples of RNA. The RNAs on the blot can be detected by hybridizing them to a labeled probe. The intensities of the band reveal the relative amounts of specific RNA in each sample.

Immunoblots (Western Blots):

Proteins can be detected and quantified in complex mixtures using immunoblots (or Western blots). Proteins are electrophoresed, then blotted on a membrane and the proteins on the blot are probed with specific antibodies that can be detected with labeled secondary antibodies or protein.

(v) DNA microarray:

A DNA array is a collection of spots attached to a solid support such as a microscope slide where each spot contains one or more single-stranded DNA oligonucleotide fragment. Arrays make it possible to put down a large quantity of very small (100 micrometre diameter) spots on a single slide. Each spot has a DNA fragment molecule that is complementary to a single DNA sequence (similar to Southern blotting).

A variation of this technique allows the gene expression of an organism at a particular stage in development to be qualified (expression profiling).

(vi) Antiquated technologies:

In molecular biology, procedures and technologies are continually being developed and older technologies abandoned. For example, before the advent of DNA gel electrophoresis (agarose or polyacrylainide), the size of DNA molecules was typically determined by rate sedimentation in sucrose gradients, a slow and labour-intensive technique requiring expensive instrumentation prior to sucrose gradients, viscometry was used.


Graham Hatfull

Mycobacterium tuberculosis kills more people than any other single infectious agent. Since antibiotics are available and the BCG vaccine is in widespread use, why do two million people die each year from TB? The answer, in part, is that we really don't understand this curious bacterium or what parts of its genetic instructions make this such a deadly pathogen. At the heart of our strategies to understand mycobacterial genetics is the mycobacteriophages - viruses that infect the mycobacteria. These are easy to grow and manipulate and offer advantages over working with the slow-growing mycobacteria (such as M. tuberkulose) that can take up to a month to produce a colony on an agar plate. Phages are also rich sources of potential genetic and molecular tools that can be used to study - and to modify - their bacterial hosts.

Here's just a flavor of some of the current studies going on in the lab:

Exploring bacteriophage genomics. In collaboration with Dr. Hendrix we have spearheaded an initiative to understand viral diversity and evolution. Our specific focus is on the genomic characterization of mycobactriophages, and a collection of about 250 complete genome sequences have been determined. Many of these phages were isolated and sequenced through three programs in which phage discovery and genomics is a platform for integrating our science and educational missions. These are the Pittsburgh Phage Hunters Integrating Research and Education (PHIRE) program, the Howard Hughes Medical Institute Science Education Alliance Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science (HHMI SEA-PHAGES) program, and a Univiersity of KwaZulu-Natal and KwaZulu-Nalat Research in TB and HIV (UKZN/K-RITH) workshop. These studies have not only provided valuable insights into phage diveristy and evolution, but present a rich and easily-accessible reservoir of genetic and mechanistic novelty for further study. A database of mycobaectriophage genomic infomration is available at http://www.phagesdb.org.

Exploiting mycobacteriophages. We are dissecting the mycobacteriophages to understand the functional roles of the thousands of genes we have identified, and to deternine if and when they are expressed, and how this expression is regulated. We are exploiting this information to develop tools and approaches that not only generate new tools for genetic manipulation for tuberculosis, but also to gain advances in diagnosis, prevention and treatment of the disease.

Site-specific recombination. Many if not most of the mycobacteriophages we have sequenced integrate their DNA into the host chromosome (and can excise them too). We are studying the mechanism of integrase-mediated site-specific recombination with a primary current focus on the serine-integrases. We are partiualrly interested in understanding how recomibnational directionality is determine in phage integration systems.

Tools - Genetic and Clinical. Studying the mycobacteria and their phages has great potential for the development of novel tools for their genetics but also for a more direct clinical involvement. Two systems we have been involved in developing are multivalent recombinant BCG vaccines and Luciferase Reporter Phages, but there are numerous additional strategies awaiting further development!


9.6: Tools for Studying Evolution - Biology

A caricature of Charles Darwin from the London Sketchbook (1874).

We study evolution for the same reasons that we study any subject — the thirst for knowledge, to understand the past and predict the future, and to organize our world. But the subject of evolution also has huge relevance to our world and current issues that concern all of us. Evolution was happening 150 million years ago when dinosaurs dominated the Earth, was happening in the 1830s when Charles Darwin landed on the Galapagos Islands during the voyage of the HMS Beagle, and it is happening today. It is occurring in every living species on the planet, right now.

Evolution is not just about fossils. It is also about molecules, genes, mutations, populations, and sex in living organisms. All of these things are primary sources of data about evolutionary processes that occur when organisms try to survive and reproduce. Evolution also is about rigorous analyses — what we must do with the data to say something that is scientifically defendable. So if you thought that evolutionary biology was limited to dusty old curators in dusty old museums, think again. Scientists at universities, research centers, and museums are conducting some of the most sophistocated analyses of any kind today, using some of the best prepared specimens, most advanced techniques, and fastest computers available. Nothing in biology can be truly understood without first understanding evolution.

Die paläontologische Forschungseinrichtung und ihr Museum der Erde
1259 Trumansburg Road & Bull Ithaca, NY 14850 USA
Telefon: 607-273-6623 & Bull-Fax: 607-273-6620


Teaching an Online Introductory Biology Lab Using Evolution and Ecology Resources

This playlist can be used in an online, undergraduate (majors-level) introductory biology lab to incorporate core topics in evolution, diversity of life, and ecology. Using case studies, multimedia, and interactive resources, it engages students in data analysis and critical thinking. The topics covered include phylogeny, natural selection, speciation, viruses, bacteria, population ecology, community ecology, ecosystem ecology, and climate change.

This playlist can be used to teach six 3-hour (180-minute) labs in a lab course for a total of 1080 minutes of instruction over a semester.

Lab 1: Evolution

By completing the resources in this lab (resources 1–2 in this playlist), students will be able to:

  • Explain how molecular sequences, such as DNA, can be used to study evolutionary relationships.
  • Summarize the process and goals of DNA sequence alignment.
  • Interpret a phylogenetic tree.
  • Collect and analyze data to quantify phenotypic diversity among populations.
  • Explain how similarities or differences in traits can evolve as adaptations to similar or different environmental conditions.
  • Perform statistical calculations, including calculations for the mean, standard deviation, standard error of the mean (SEM), and the 95% confidence interval.

Lab 2: Viruses

By completing the resources in this lab (resources 3–5 in this playlist), students will be able to:

  • List the ways in which viruses can differ from each other.
  • Identify different components and characteristics of viruses and their role in infection.
  • Calculate the size of a virus relative to a human cell.
  • Use information collected in case studies to distill complex, real-world data, and perform basic calculations to make decisions on the spread of an infectious disease.
  • Analyze and interpret data from a scientific figure.
  • Explain the term zoonotic disease and discuss some of the global patterns in mammals that carry these diseases.
  • Use appropriate scientific terms, including “reservoir” and “spill over,” in describing a disease outbreak.

Lab 3: Microbes

By completing the resources in this lab (resources 6–8 in this playlist), students will be able to:

  • Make observations on an ongoing experiment.
  • Make inferences based on observations.
  • Describe variation in microbes and their role in the environment.

Lab 4: Population Ecology

By completing the resources in this lab (resources 9–11 in this playlist), students will be able to:

  • Develop scientific explanations and justify claims using evidence.
  • Calculate elephant density with sample aerial survey data using the strip transect sampling method.
  • Identify the advantages and disadvantages of different survey methods.
  • Analyze and interpret gel electrophoresis results to determine relationships between individuals and populations.
  • Use allele frequencies to calculate the probability of two individuals sharing the same genetic profile.
  • Explain how the geographic and genetic distances between two populations are related.
  • Explain how genetic data helps law enforcement officers and conservationists decide where to target their efforts.

Lab 5: Community and Ecosystem Ecology

By completing the resources in this lab (resources 12–14 in this playlist), students will be able to:

  • Make connections between climate, vegetation, and biodiversity to describe biome characteristics.
  • Identify the types of data needed to test different niche partitioning mechanisms.
  • Make claims and offer explanations based on authentic field data.
  • Identify limitations of traditional forms of data collection.
  • Use DNA sequence data to identify animal and plant species.
  • Analyze data using statistical methods.
  • Predict whether different organisms in an ecosystem have positive or negative effects on other organisms in that ecosystem.
  • Predict how an ecosystem may change when a particular organism is introduced or removed, based on the evidence provided.

Lab 6: Human Impacts

By completing the resources in this lab (resources 15–20 in this playlist), students will be able to:

  • Describe recent patterns and trends in atmospheric carbon dioxide concentrations.
  • Explain the role of atmospheric CO 2 in ocean acidification.
  • Explain the role of atmospheric CO 2 in global warming.
  • Explain how similarities or differences in traits can evolve as adaptations to similar or different environmental conditions.
  • Use scientific observations to explain how a population changes over time due to human impacts.
  • Explain how the selective pressures on a population may impact the frequencies of phenotypes in a population.
  • Analyze quantitative data in order to make predictions based on evidence.

Lab 5: Biotechnology

By completing the resources in this lab (resources 11–14 in this playlist), students will be able to:


Evolution of monogamous marriage by maximization of inclusive fitness

The majority of human societies allow polygynous marriage, and the prevalence of this practice is readily understood in evolutionary terms. Why some societies prescribe monogamous marriage is however not clear: current evolutionary explanations—that social monogamy increases within-group co-operation, giving societies an advantage in competition with other groups—conflict with the historical and ethnographic evidence. We show that, within the framework of inclusive fitness theory, monogamous marriage can be viewed as the outcome of the strategic behaviour of males and females in the allocation of resources to the next generation. Where resources are transferred across generations, social monogamy can be advantageous if partitioning of resources among the offspring of multiple wives causes a depletion of their fitness value, and/or if females grant husbands higher fidelity in exchange for exclusive investment of resources in their offspring. This may explain why monogamous marriage prevailed among the historical societies of Eurasia: here, intensive agriculture led to scarcity of land, with depletion in the value of estates through partitioning among multiple heirs. Norms promoting high paternity were common among ancient societies in the region, and may have further facilitated the establishment of social monogamy. In line with the historical and ethnographic evidence, this suggests that monogamous marriage emerged in Eurasia following the adoption of intensive agriculture, as ownership of land became critical to productive and reproductive success.

Data S1 Theoretical framework.

Tabelle S1 Summary of the possible strategies.

Tabelle S2 Symbols used in the model.

Figure S1 Stability of ‘‘suspicious’’ monogamous males for Ph = 0.5.

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9.6: Tools for Studying Evolution - Biology

Methodologies for studying protein co-evolution

Co-evolution, which can be defined as interdependence of evolutionary histories, is a fundamental part of evolutionary theories from the times of C. Darwin himself. Inter-species co-evolution and co-adaptation is known to have a large effect on the evolutionary paths and characteristics of the involved organisms. More recently, co-evolutionary concepts have been brought to the molecular level. The evolution of many genes/proteins is not independent but entangled to that of others. The same happens at a lower level for individual residues within proteins. Molecular co-evolution can be due to specific co-adaptation between the two co-evolving elements, where changes in one of them are compensated by changes in the other, or by a less specific external force affecting the evolutionary rates of both elements in a similar magnitude. In both cases, independently of the underlying cause, co-evolutionary signatures between genes/proteins serve as markers of physical interactions and/or functional relationships. For this reason, a plethora of computational methods emerged for studying co-evolution at the protein or residue level so as to predict features such as protein-protein interactions, residue contacts within protein structures and protein functional sites. Co-evolution allows proteins to change while maintaining their interactions and, consequently, it plays a very important role in key biological systems. For this reason, the application of those co-evolution inspired methodologies allowed to gain insight into de functioning of these systems.

Available co-evolution related methods

Software Availability

Servers and Databases

Simple inter-position co-evolution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Mutual information corrected (Mip)

Inter-position co-evolution without phylogenetic contribution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Simple inter-position co-evolution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

One small alignment [optional: second alignment or pdb]

Inter-position co-evolution without phylogenetic contribution

Protein contacts (model selection for homology modeling)

Pair specific Inter-position co-evolution

Protein contacts (ab initio protein structure prediction)

Pair specific Inter-position co-evolution

Protein contacts (ab initio protein structure prediction)

One family alignment [optional pdb and/or tree]

Ligand and protein interaction specificity

One family alignment and a tree

Ligand and protein interaction specificity

Ligand and protein interaction specificity

Ligand and protein interaction specificity

Binary files for every OS (*)

Ligand and protein interaction specificity

Intra-protein pathways (allostery)

Subfamily -specific conservation

Intra-protein pathways (allostery)

Two alignments of orhtologous sequences

Simple Inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Two alignments of orhtologous sequences

Simple Inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Sequence distance matrixes for two sets of orthologous and for the species tree (16S rRNA tree)

Inter-protein co-evolution without phylogenetic contribution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Evolutionary distances of a big set of groups of orthologs

Pair specific inter-protein co-evolution

Phyiscal and Functional Interactions

Binary files for every OS (*)

Sequence distance matrixes for two sets of homologs

Inter-protein co-evolution of the strngest co-evolving sequence in the alignments


Schau das Video: Evolutionstheorie - Charles Darwins Revolution. Terra X statt Schule (Kann 2022).