Abstract
Species of Lactobacillus (L.) are important starter and probiotic lactic acid bacteria used in the dairy industry. Industrial fermentation processes are prone to phage infections, which can cause severe economic losses. The main objective of this thesis was to examine in more depth the genetic variation and evolution of L. delbrueckii and L. rhamnosus phages. Aspects of interactions and co-evolution of a phage and its host have also been included in this study.
In this study, the complete genomic DNA sequences of four Lactobacillus phages were determined and analyzed in detail. Specific phage genes and genetic elements were identified and studied in more depth. The L. delbrueckii phage JCL1032 was found to be a temperate phage which is able to integrate into two distinct genes of L. delbrueckii, but with exceptionally low frequency. The isolated JCL1032-lysogenic bacteria expressed a complex phage resistance against several L. delbrueckii phages. The rarely reported coexistence of phage adsorption resistance and immunity could not be explained by lysogenic conversion. Instead, the spontaneously induced JCL1032 may have provided a selective advantage to adsorption resistant lysogens. The biological activity of two group I introns residing within the terminase large subunit and tape measure genes of the JCL1032 genome (49,433 bp) was demonstrated. The diversification of L. delbrueckii phages is mainly due to insertions, deletions and recombination, as was demonstrated by comparative analyses of the LL-Ku and c5 genomes of 31,080 bp and 31,841 bp, respectively. Interestingly, both phages have possible autonomous transcription units of genes within their genomes. It seemed that evolution of the 36,366-bp genome of the L. casei phage Lc-Nu has been fuelled by deletions as well. The lytic phage Lc-Nu has an imperfect lysogeny module and the phage is genetically closely related to L. casei prophages. This clearly demonstrated that Lc-Nu has a recent temperate origin.
This study provides genetic tools, genes, and regulatory elements for biotechnological applications and for developing starter strains with enhanced phage resistance properties. / Tiivistelmä
Hapatteina ja probiootteina käytetyt Lactobacillus-maitohappobakteerit (L. ) ovat merkittävässä asemassa meijeriteollisuudessa. Teolliset käymisprosessit ovat alttiita faagi-infektioille, jotka voivat aiheuttaa tuotantolaitoksille huomattavia taloudellisia tappioita. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli syventää tietoa L. delbrueckii ja L. rhamnosus -bakteereita infektoivien faagien geneettisestä muuntelusta ja evoluutiosta. Tutkimuksessa käsitellään myös faagin ja isäntäbakteerin välistä vuorovaikutusta sekä yhteisevoluutiota.
Tutkimuksessa määritettiin neljän Lactobacillus-faagin genominen DNA-sekvenssi, identifioitiin faagigeenejä ja muita geneettisiä elementtejä sekä tutkittiin niiden toimintaa. L. delbrueckiin JCL1032-faagi osoittautui tutkimuksessa temperaatiksi. JCL1032-genomi voi integroitua kahteen eri geeniin isäntäbakteerin kromosomissa, joskin lysogeniafrekvenssi on hyvin alhainen. Tutkimuksessa eristetyt JCL1032-lysogeeniset bakteerikannat olivat resistenttejä useille Lactobacillus-faageille. Osassa lysogeenisia bakteereita resistenssi ilmeni jo faagin adsorptiovaiheessa. Vastaavanlainen ilmiö on kuvattu vain harvoin aiemmin. Havaittua kompleksista resistenssiä ei voitu selittää lysogeenisella konversiolla. Sen sijaan ilmiön taustalla voi olla JCL1032-profaagien spontaani indusoituminen bakteerin kromosomista, mikä voi antaa valintaetua adsorptioresistenteille lysogeenisille bakteereille. JCL1032-genomissa (49 433 emäsparia) osoitettiin olevan kaksi biologisesti aktiivista intronia terminaasin suurta alayksikköa ja hännän mittaproteiinia koodaavissa geeneissä. LL Ku- ja c5-faagien genomien (31 080 ja 31 841 emäsparia) vertailu osoitti L. delbrueckii -faagien evoluution olevan pääasiassa seurausta insertioista, deleetioista ja rekombinaatiosta. Kummassakin genomissa oli mahdollisesti päällekkäisiä ja itsenäisesti transkriptoituvia geenialueita. Deleetiot ovat muokanneet myös L. casein lyyttisen Lc- Nu-faagin genomia (36 466 emäsparia). Faagin lysogeniamoduuli sisälsi vain osan lysogeeniseen elinkiertoon tarvittavista geeneistä. Lc-Nu on geneettisesti läheistä sukua L. casei -profaageille, mikä myös viittaa siihen, että Lc-Nu on kehittynyt temperaatista faagista.
Tutkimustuloksia faagien geeneistä ja säätelyelementeistä voidaan hyödyntää hapatebakteerien faagiresistenssiominaisuuksien kehittämisessä sekä erilaisissa bioteknologisissa sovelluksissa.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:oulo.fi/oai:oulu.fi:isbn978-951-42-9719-9 |
| Date | 07 December 2011 |
| Creators | Riipinen, K.-A. (Katja-Anneli) |
| Contributors | Alatossava, T. (Tapani) |
| Publisher | Oulun yliopisto |
| Source Sets | University of Oulu |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, © University of Oulu, 2011 |
| Relation | info:eu-repo/semantics/altIdentifier/pissn/0355-3191, info:eu-repo/semantics/altIdentifier/eissn/1796-220X |
Page generated in 0.0067 seconds