Генетика вторинного метаболізму актинобактерій

Актинобактерії – одні із “найобдарованіших” хіміків Природи: вони синтезують величезну кількість хімічно і біологічно різноманітних природних сполук (див. приклади на рисунку внизу), відомих як вторинні метаболіти. Це сполуки, що не є життєво важливими для організму-продуцента, але, очевидно, надають йому селективну за певних умов існування. Антибіотики є, мабуть, найвідомішим і найціннішим класом вторинних метаболітів.

Приклади антибіотиків, що продукуються стрептоміцетами. Біосинтез деяких наведених сполук (ландоміцин, моеноміцин, амінокумаринові антибіотики, поліени) вивчається в НДЛ-42

У фокусі моїх досліджень – регуляція біосинтезу антибіотиків у роді Streptomyces. Зокрема, поточні наукові проекти зосереджено на вивченні усіх аспектів транскрипційної та посттранскрипційної регуляції експресії AdpA (відомого також як BldH) – плейотропного транскрипційного фактора, майстер-регулятора вторинного метаболізму та морфогенезу стрептоміцетів.

Концепція транскрипційно-трансляційного контролю синтезу біологічно активних речовин та морфогенезу в Streptomyces. Гени bldA й bldH складають центральну регуляторну пару – т.зв. “генний перемикач”. За відсутності зрілої тРНКLeuUAA (BldA) – до етапу пізньої експоненційної фази або за умов делеції гена bldA – UUA-вмісний транскрипт bldH не транслюється, або ж містранслюється з низькою частотою. Як результат, не відбувається перехід колонії стрептоміцета з фази субстратного міцелію у фазу росту повітряних гіфів. У цьому стані “генний перемикач” вимкнено (OFF). У стаціонарній фазі відбувається накопичення трансляційно компетентної (зрілої) тРНКLeuUAA. Посттранскрипційні модифікації тРНК (ПТМТ) – зокрема ті, що контролюють гени miaA й miaB – один із факторів появи зрілої тРНКLeuUAA. Остання, у свою чергу, забезпечує ефективну трансляцію мРНК bldH; BldH активує транскрипцію генів морфогенезу та вторинного метаболізму. У цьому стані “генний перемикач” увімкнено (ON)

Крім регуляції біосинтезу вторинних метаболітів, у фокусі досліджень перебувають гени і білки, що контролюють незвичні біохімічні реакції. Наприклад, нами показано, що приєднання низки хімічно відмінних донорів аміногрупи до термінального залишку уронової кислоти в фосфогліколіпідному антибіотику моеноміцині контролює один фермент, МоеН5 (див. рис. внизу), який репрезентує унікальний випадок еволюції глутамінових амідотрансфераз у каталізатор амідолігазного типу (Ostash et al. 2013).

Амідотрансфераза МоеН5 переносить низку донорів аміногрупи на карбоксил галактуронової кислоти моеноміцину. Природні донорні субстрати – пентациклічний хромофор (А-кільце), іон амонію і гліцин. За умов in vitro МоеН5 здатний переносити інші групи

Еволюція кодонного складу

Кодувальні послідовності генів складаються з кодонів – трьох нуклеотидів поспіль, які визначають тип амінокислоти, що включатиметься у поліпептид під час трансляції. Багато амінокислот кодуються більше ніж одним кодоном (синоніми), і тому різні нуклеотидні послідовності можуть кодувати ідентичний поліпептид. Синонімічні кодони вживаються нерівномірно у різних видах, в межах одного генома і навіть гена – явище, відоме як переважне вживання кодонів (ПВК). ПВК – своєрідний шар додаткової генетичної інформації, що впливає, наприклад, на фолдинг, час початку і швидкість синтезу білка, а відтак має суттєві фенотипові прояви, зокрема й патологічні в людини (див. Plotkin and Kudla 2011). Нині немає задовільного пояснення глобальних причин і рушійних сил, що зумовили ПВК. Наявні експериментальні моделі (дріжджі, E. coli) – надто складні, і не дозволяють вивчення ПВК за допомогою повного видалення певного кодона (чи нокауту відповідного гена тРНК) з генома. Наші дослідження – внесок у розуміння ПВК на основі вивчення геномів з екстремальним зсувом у бік вживання GC-багатих кодонів. Як модель ми використовуємо Streptomyces albus J1074. Також значні зусилля докладаються до опрацювання нових методів візуалізації зсувів у вживанні та заміщенні кодонів – див. напр. Zaburannyi et al. 2009, а також cTools на http://biotools.online/

Bubble-plot графік, що відображає різні за частотою і типом заміщення кодонів у масиві гомологічних послідовностей. Графік – результат функціонування веб-застосунка X-Rate на сервері cTools (див. основний текст вище)

• Прикладна молекулярна філогенетика

Внизу подано вибрані наукові публікації за останні 5 років (2016-2020 рр); повний список публікацій – див.  https://www.researchgate.net/profile/Bohdan_Ostash/contributions а також https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=ostash+b

Статті

1. Koshla O, Kravets V, Dacyuk Y, Ostash I, Süssmuth R, Ostash B. Genetic analysis of Streptomyces albus J1074 mia mutants suggests complex relationships between post-transcriptional tRNA_XXA modifications and physiological traits. Folia Microbiol. 2020 Dec;65(6):1009-1015. doi: 10.1007/s12223-020-00811-7.
2. Yushchuk O, Ostash B, Truman AW, Marinelli F, Fedorenko V. Teicoplanin biosynthesis: unraveling the interplay of structural, regulatory, and resistance genes. Appl Microbiol Biotechnol. 2020 Apr;104(8):3279-3291. doi: 10.1007/s00253-020-10436-y.
3. Yushchuk O, Homoniuk V, Ostash B, Marinelli F, Fedorenko V. Genetic insights into the mechanism of teicoplanin self-resistance in Actinoplanes teichomyceticus. J Antibiot. 2020 Apr;73(4):255-259. doi: 10.1038/s41429-019-0274-9.
4. Yushchuk O, Homoniuk V, Datsiuk Y, Ostash B, Marinelli F, Fedorenko V. Development of a gene expression system for the uncommon actinomycete Actinoplanes rectilineatus NRRL B-16090. J Appl Genet. 2020 Feb;61(1):141-149. doi: 10.1007/s13353-019-00534-7.
5. Lopatniuk M, Myronovskyi M, Nottebrock A, Busche T, Kalinowski J, Ostash B, Fedorenko V, Luzhetskyy A. Effect of “ribosome engineering” on the transcription level and production of S. albus indigenous secondary metabolites. Appl Microbiol Biotechnol. 2019 Sep;103(17):7097-7110. doi: 10.1007/s00253-019-10005-y.
6. Koshla O, Yushchuk O, Ostash I, Dacyuk Y, Myronovskyi M, Jäger G, Süssmuth RD, Luzhetskyy A, Byström A, Kirsebom LA, Ostash B. Gene miaA for post-transcriptional modification of tRNA(XXA) is important for morphological and metabolic differentiation in Streptomyces. Mol Microbiol. 2019 Jul;112(1):249-265. doi: 10.1111/mmi.14266.
7. Koshla O, Rokytskyy I, Ostash I, Busche T, Kalinowski J, Mosker E, Sussmuth RD, Fedorenko V, Ostash B. Secondary metabolome and transcriptome of Streptomyces albus J1074 in liquid medium SG2. Cyt Genet. 2019; 53(1):1-7. doi: 10.3103/S0095452719010080.
8. Yushchuk O, Horbal L, Ostash B, Marinelli F, Wohlleben W, Stegmann E, Fedorenko V. Regulation of teicoplanin biosynthesis: refining the roles of tei cluster-situated regulatory genes. Appl Microbiol Biotechnol. 2019 May;103(10):4089-4102. doi: 10.1007/s00253-019-09789-w.
9. Kuzhyk Y, Lopatniuk M, Luzhetskyy A, Fedorenko V, Ostash B. Genome engineering approaches to improve nosokomycin A production by Streptomyces ghanaensis 3. Indian J Microbiol. 2019 Mar;59(1):109-111. doi: 10.1007/s12088-018-0761-x.
10. Yushchuk O, Kharel M, Ostash I, Ostash B. Landomycin biosynthesis and its regulation in Streptomyces. Appl Microbiol Biotechnol. 2019 Jan 11. doi: 10.1007/s00253-018-09601-1.
11. Sehin Y, Koshla O, Dacyuk Y, Zhao R, Ross R, Myronovskyi M, Limbach PA, Luzhetskyy A, Walker S, Fedorenko V, Ostash B. Gene ssfg_01967 (miaB) for tRNA modification influences morphogenesis and moenomycin biosynthesis in Streptomyces ghanaensis Microbiology. 2019 Feb;165(2):233-245. doi: 10.1099/mic.0.000747.
12. Yushchuk O, Ostash I, Vlasiuk I, Gren T, Luzhetskyy A, Kalinowski J, Fedorenko V, Ostash B. Heterologous AdpA transcription factors enhance landomycin production in Streptomyces cyanogenus S136 under a broad range of growth conditions. Appl Microbiol Biotechnol. 2018 Oct;102(19):8419-8428. doi: 10.1007/s00253-018-9249-1.
13. Kuzhyk Y, Mutenko H, Fedorenko V, Ostash B. Analysis of Streptomyces ghanaensis ATCC14672 gene SSFG_07725 for putative γ-butyrolactone synthase. Folia Microbiol. 2018 Nov;63(6):701-706. doi: 10.1007/s12223-018-0614-3.
14. Rabyk M, Yushchuk O, Rokytskyy I, Anisimova M, Ostash B. Genomic Insights into Evolution of AdpA Family Master Regulators of Morphological Differentiation and Secondary Metabolism in Streptomyces. J Mol Evol. 2018 Apr;86(3-4):204-215. doi: 1007/s00239-018-9834-z.
15. Ostash I, Kolvenbach B, Corvini PF, Fedorenko V, Ostash B, Cichocka D. Gene cloning system for sulfonamide-mineralizing Microbacterium strain BR1. J Appl Genet. 2018 Feb;59(1):119-121. doi: 10.1007/s13353-017-0427-0.
16. Gren T, Ostash B, Babiy V, Rokytskyy I, Fedorenko V. Analysis of Streptomyces coelicolor M145 genes SCO4164 and SCO5854 encoding putative rhodaneses. Folia Microbiol. 2018 Mar;63(2):197-201. doi: 10.1007/s12223-017-0551-6.
17. Tsypik O, Makitrynskyy R, Bera A, Song L, Wohlleben W, Fedorenko V, Ostash B. Role of GntR Family Regulatory Gene SCO1678 in Gluconate Metabolism in Streptomyces coelicolor Biomed Res Int. 2017;2017:9529501. doi: 10.1155/2017/9529501.
18. Koshla O, Lopatniuk M, Rokytskyy I, Yushchuk O, Dacyuk Y, Fedorenko V, Luzhetskyy A, Ostash B. Properties of Streptomyces albus J1074 mutant deficient in tRNA(Leu)(UAA) gene bldA. Arch Microbiol. 2017 Oct;199(8):1175-1183. doi: 10.1007/s00203-017-1389-7.
19. Rokytskyy I, Koshla O, Fedorenko V, Ostash B. Decoding options and accuracy of translation of developmentally regulated UUA codon in Streptomyces: bioinformatic analysis. Springerplus. 2016 Jul 4;5(1):982. doi: 10.1186/s40064-016-2683-6.
20. Horbal L, Ostash B, Luzhetskyy A, Walker S, Kalinowski J, Fedorenko V. A gene cluster for the biosynthesis of moenomycin family antibiotics in the genome of teicoplanin producer Actinoplanes teichomyceticus. Appl Microbiol Biotechnol. 2016 Sep;100(17):7629-38. doi: 10.1007/s00253-016-7685-3.
21. Yushchuk O, Ostash B, Pham TH, Luzhetskyy A, Fedorenko V, Truman AW, Horbal L. Characterization of the Post-Assembly Line Tailoring Processes in Teicoplanin Biosynthesis. ACS Chem Biol. 2016 Aug 19;11(8):2254-64. doi: 10.1021/acschembio.6b00018.
22. Shashkov AS, Streshinskaya GM, Tul’skaya EM, Senchenkova SN, Baryshnikova LM, Dmitrenok AS, Ostash BO, Fedorenko VA. Cell wall glycopolymers of Streptomyces albus, Streptomyces albidoflavus and Streptomyces pathocidini. Antonie Van Leeuwenhoek. 2016 Jul;109(7):923-36. doi: 10.1007/s10482-016-0691-8.
23. Tsypik O, Yushchuk O, Zaburannyi N, Flärdh K, Walker S, Fedorenko V, Ostash B. Transcriptional regulators of GntR family in Streptomyces coelicolor A3(2): analysis in silico and in vivo of YtrA subfamily. Folia Microbiol. 2016 May;61(3):209-20. doi: 10.1007/s12223-015-0426-7.

Монографії

1. Ostash B., Anisimova M. Visualizing codon usage within and across genomes: concepts and tools //In: “Statistical modeling and machine learning principles for bioinformatics techniques, tools and applications”. Algorithms for Intelligent Systems; Eds.: K.G. Srinivasa, G.M. Giddesh, S.R. Manisekar – Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2020. – P. 213–288. ISBN: 978-981-15-2444-8 (Print); https://doi.org/10.1007/978-981-15-2445-5_13
2. Б. Осташ, О. Ющук, М. Рабик, І. Осташ, В. Федоренко. Біологія антибіотиків-інгібіторів синтезу клітинної стінки бактерій. Львів. ЛНУ ім. І. Франка. Л.: 2018. 235 с. ISBN 978-617-10-0459-7
3. B. Ostash. Transcriptional factors of AdpA subfamily in Streptomyces: function and evolution. De Gruyter Publishing House: August 2018. 67 pages. ISBN 978-3-11-062777-0. Доступ онлайн: https://www.degruyter.com/view/product/512875

Патенти

1. Патент на винахід №119472 Україна, МПК (2006.01)C12P 1/06 C12P 19/64 C12N 15/80 C12R 1/465 Спосіб активування продукції сполук з антибіотичною та протигрибною властивостями у Streptomyces cyanogenus S136 / Ющук О., Осташ Б.; заявник і власник Львівський національний ун-т ім. І. Франка. – № a201702642, заявл. 21 березня 2017 р., опубл. 25.06.2019, Бюл. № 12. https://library.ukrpatent.org/document?fund=1&id =259458&name=%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%88+%D0%B1
2. Патент на корисну модель №120622 Україна, МПК (2017.01) C12Q 1/00, C12Q 1/02, C12Q 1/04. Спосіб підвищення продукції полікетидних сполук у Streptomyces albus J1074 / Кошла О., Осташ Б.; заявник і власник Львівський національний університет імені Івана Франка. – №2017 05195, заявлено 29 травня 2017 р., опубл. 11.2017, Бюл. № 21.
3. Патент США US 2017/0081690A1 C07K 14/00 (2006.01), C12N 15/52 (2006.01). Moenomycin biosynthesis-related compositions and methods of use thereof / B. Ostash, S. Walker, заявник і власник – Гарвардський університет (США); заявлено 24.08.2015; опубл. 23.03.2017. доступ – http://www.freepatentsonline.com/20170081690.pdf
4. Тарабас О.В., Гнатуш С.О., Мороз О.М., Осташ Б.О. Свідоцтво про первісне депонування штаму мікроорганізму в Депозитарії Інституту мікробіології та вірусології НАН України. Назва і реєстраційний номер штаму: Rhodopseudomonas yavorovii IMB B-7620. Дата первісного депонування – 01.08.2017.
5. Патент на корисну модель №94608 Україна, МПК (2013.01) C12Q 1/01, C12Q 1/02, C12Q 1/04. Спосіб індукції синтезу нових антибіотиків у актинобактерій / Осташ Б., Горбаль Л., Ющук О., Тістечок С., Мурин А., Федоренко В.; заявник і власник Львівський національний університет імені Івана Франка. – №201483116, заявлено 17 квітня 2014 р., опубл. 11.2014, Бюл. № 22.

Народився в 1977р. В 1994р. вступив до Львівського державного університету ім. І. Я. Франка (тепер – Львівський національний університет імені Івана Франка (ЛНУ)). В 1999 р. закінчив ЛНУ і в цьому ж році вступив до аспірантури на кафедру генетики та біотехнології ЛНУ. Кандидатську дисертацію (спеціальність – 03.00.15) на тему “Генетичний контроль окремих етапів біосинтезу ландоміцину Е в Streptomyces globisporus 1912″ (науковий керівник – проф. Федоренко В.О.) захистив восени 2003 р. Докторську дисертацію (спеціальність – 03.00.22) на тему “Комбінаторний біосинтез нових антибіотиків у актиноміцетів” захистив восени 2012. З 2003 по 2004 р. – м.н.с. лабораторії генетики, селекції та генетичної інженерії продуцентів антибіотиків ЛНУ (НДЛ-42). З 2004 по 2007 рр. працював у відділі мікробіології та молекулярної генетики Гарвардської медичної школи (лабораторія проф. С’юзен Уокер). З 2007 р. – с.н.с. НДЛ-42, а з 2011 (за сумісництвом) – викладач кафедри генетики та біотехнології. Викладає спецкурси “Геноміка”, “Молекулярна філогенетика” та “Біоінформатика”. Галузі наукових інтересів – генетика бактерій, молекулярні механізми трансляційної регуляції метаболізму, біосинтез антибіотиків актинобактеріями. Перелік наукових публікацій і доступ до них – див. розділ Наука. Під керівництвом Осташа Б.О. захищено чотири дисертації на  здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук (доктора філософії: Марія Рабик, 2012; Нестор Забуранний, 2013; Галина Мутенко 2017; Ігор Рокицький 2019). Наразі під керівництвом Осташа Б.О. працює два аспіранти.

Керівництво

БГ-80Ф: “Індукція мовчазних генів актинобактерій як метод виявлення нових біологічно активних сполук”, 2019 р, МОН України

Бг-41Нр: “Універсальний генетичний механізм контролю продукції біологічно активних речовин актиноміцетами”, 2016 р, МОН України

1/Бг4-18 “Генотипування мікробних ізолятів”, 2018 р., ПАТ “Галичфарм”

Ф80/2-2018 “Посттранскрипційні модифікації тРНК як регулятори первинного й вторинного метаболізму в актинобактерій”, 2017, Державний фонд фундаментальних досліджень України у рамках співпраці з Японським т-вом сприяння науки (JSPS)

М/18-2017+М/26-2018 “Плейотропні транскрипційні регулятори родини AdpA як знаряддя відкриття нових природних біоактивних сполук”, 2017 р., МОН України

Ф60/2-2015+Ф60/52-2016 “Рибосома як регуляторний елемент метаболізму: нове розуміння на основі підходів геномної інженерії”, 2015 р., Державний фонд фундаментальних досліджень України у рамках співпраці з Японським т-вом сприяння науки (JSPS)

М256-2013+М83-2014 “Ландоміцин А – платформа для розробки нових протиракових препаратів”, 2013 р., МОН України

Участь

R03TW009424 “Enabling biotechnologies to generate novel phosphoglycolipid antibiotics”, 2013-2015 рр., фінансувався фондом Фогарті при Національних інститутах здоров’я США. http://grantome.com/grant/NIH/R03-TW009424-03

INTAS – Ukraine 95-20: “Biotechnological improvement of novel potential anticancer antibiotic”. 1997-2000 рр., Німеччина.

БГ-46Ф: “Нові гени актинобактерій, що контролюють продукцію і стійкість до антибіотиків-інгібіторів синтезу пептидоглікану ”, 2017 р., МОН України.

Бл-01Ф: “Са²⁺-транспортувальні системи та регуляції клітинного дихання
екзокринних залоз у нормі і за дії стресорних чинників”. 2014 р., МОН України.

M/82-2016 “Інженерія вторинного метаболізму стрептоміцетів з використанням мутацій у гені рибосомного білка S12”, 2016 р., МОН України.

Бг-98Ф “Структурна і функціональна геноміка біосинтезу антибіотиків фосфогліколіпідної родини”, 2011 р., МОН України

Бг-01Ф, “Генетичні механізми стійкості актиноміцетів до моеноміцинів та роль рідкісних кодонів у їхньому біосинтезі”, 2009 р., МОН України

Бг-48П: “Біосинтез тіопептидів як спосіб утилізації відновлених сполук сірки: нові енергоощадні біотехнології для гірничої промисловості”, 2010 р., МОН України

Бг35-Ф “Гени актиноміцетів, що контролюють синтез агліконової частини ангуциклінових антибіотиків”, 2006 р., МОН України

1998 р. – стипендія Марії Ліон (Канада) для талановитих студентів з сільської місцевості

2002 р. – стипендія INTAS, що передбачала піврічне стажування в ун-ті Ов’єдо, Іспанія

2008 р. – премія Львівської облради для молодих науковців

2009 р. – стипендія Кабінету Міністрів України для талановитих молодих вчених

2009-2010 – стипендія від Броуд-інституту (США) у межах програми SPARC #2740563, що передбачала річне стажування у відділі мікробіології та молекулярної генетики Гарвардської медичної школи

2011 – індивідуальна стипендія Німецької служби академічних обмінів (DAAD) A/12/04489, що передбачала двомісячне стажування в Гельмгольц-інституті фармацевтичних досліджень (Саарбрюкен, ФРН)

2013 р. – премія Верховної Ради України для найталановитіших молодих вчених

2014 р. – грамота ЛНУ ім. І. Франка за багаторічну сумлінну наукову діяльність

2017 р. – індивідуальна стипендія Німецької служби академічних обмінів (DAAD) N91655938, що передбачала двомісячне стажування в Центрі біотехнології ун-та м. Білефельд (ФРН)

2017 р. – премія Львівської міської ради талановитим вченим

2019 р. – стипендія Львівської системи дослідників

2020 р. – індивідуальна стипендія Німецької служби академічних обмінів (DAAD) N57507437, що передбачала двомісячне стажування в Майнцькому університеті (Німеччина).

Великий практикум з генетики, генетичної інженерії та аналітичної біотехнології мікроорганізмів

Сторінка розкладу викладачів не знайдена!