Comparative genome analysis of production-related Bacillus strains

B. licheniformis DSM13 ist ein gram+ , ubiquitär vorkommendes, sporenbildendes Bakterium, das in großem Maßstab für die industrielle Produktion von Exoenzymen eingesetzt wird, weil es hohe Proteinmengen sekretieren kann. Das Genom wurde 2004 im Göttinger Genomlabor sequenziert. Seit der Sequenzierung des Modellorganismus B. subtilis 168 1997 und dessen Resequenzierung und -annotation 2009 sind zahlreiche weitere Vertreter der Gattung Bacillus sequenziert worden. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, durch den bioinformatischen Vergleich der Proteinsequenzen verschiedener Bacillus-Stämme, ein detailiertes, genomisches Verständis für B. licheniformis DSM13 zu erhalten sowie Vorhersagen zu generieren, welche Sequenzabschnitte für die enorme Proteasenproduktion essentiell bzw. nicht essentiell sind. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Analyse des Kompetenzsystems in B. licheniformis DSM13, da dieser Stamm im Vergleich zum labor-optimierten B. subtilis 168 nur schwer genetisch veränderbar ist. Für die komparative Gesamtgenomanalyse wurde ein Softwaretool entwickelt, das automatisiert gemeinsame Proteine in unterschiedlichen Organismen identifiziert. Lokale bidirektionale beste Hits zur Identifikation von Orthologen, die Evaluation durch einen globalen Alignment-Algorithmus und die geeignete Ausgabe zur Weiterverarbeitung machen die Pipeline zu einem vielfach genutzten Werkzeug in der mikrobiellen Genomanalyse. Mit Hilfe des Softwaretools wurde eine umfassende komparative Analyse für B. licheniformis DSM13 durchgeführt. Durch die Kombination der in silico Vorhersage mit experimentellen Daten aus Microarray-Analysen, konnten Deletionstargets zur weiteren biologischen Analyse generiert werden. Die vorliegende Arbeit liefert somit einen Beitrag zum Design eines Optimalgenoms von B. licheniformis DSM13.B. licheniformis DSM13 is a Gram-positive, ubiquitous, endospore forming bacterium that is extensively used for industrial production of exoenzymes as it can secrete high amounts of protein. The genome was sequenced in 2004 at the Goettingen Genomics Laboratory. Since the sequencing of the model organism B. subtilis 168 in 1997 and its resequencing and -annotation in 2009, numerous other representatives of the species Bacillus have been sequenced. The aim of the present dissertation is a detailed genomic understanding of B. licheniformis DSM13 and the generation of predictions about which parts of the sequence are essential and non-essential for the enormous production of proteases by bioinformatic comparison of protein sequences. Therefore, the focus lies on the analysis of the B. licheniformis DSM13 competence system since this strain s genetic transformation is difficult compared to the laboratory-optimised B. subtilis 168. A softwaretool for the comparative whole genome analysis was implemented, which automatically identifies shared proteins in different organisms. Local bidirectional best hits for the orthologues identification, the evaluation with a global alignment algorithm and the adequate output for further analyses make the pipeline a widespread tool in microbial genome analysis. It was used in a broad comparative analysis of B. licheniformis DSM13. The combination of in silico predictions and experimental micro-array analyses generated deletion targets for further biological analysis. The present work provides a contribution to the design of an optimal genome of B. licheniformis DSM13