Date of Award

1-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Molecular Biology and Biotechnology

Department

Biology

First Advisor

Mohammad Tauqeer Alam

Abstract

Thermophiles and psychrophiles are extremophilic microorganisms that thrive in harsh conditions. Thermophiles are mostly located in hot springs, prosper in high temperatures. Psychrophiles thrive in extremely cold environments, including polar regions and deep-sea habitats. Although they play a crucial role in biotechnology and environmental research, their mechanisms of adaptation are still not well understood. The main objective of this thesis is to understand the genomic characteristics and metabolic network features in thermophiles and psychrophiles compared to mesophiles. The genomes of 59 species among thermophiles, psychrophiles, and mesophiles were collected from the NCBI database. These genomes were used to analyze their key features such as genome length, CDS counts, and G+C content at both whole-genome and codon-specific levels. Codon usage and amino acid abundance were analyzed, and genome-scale metabolic models were constructed using the ModelSEED platform. Additional analysis included model simulation, evaluation of metabolite production rates, pathway enrichment analysis of unique active reactions, and the generating of a metabolic network for all species. The study suggests that psychrophiles have larger genomes, more genes, larger metabolic networks, less metabolite exchange, and greater growth rates compared to thermophiles. Both groups have specific codon and amino acid preferences where thermophiles favor GC-rich codons, and psychrophiles prefer AT-rich codons. These bioinformatic analysis gives us deeper understanding of thermophiles and psychrophiles adaptation mechanisms, which enables their advanced application in biotechnology for industrial processes that requires stability in either extremely high or low temperatures. They also support biofuel production by leveraging their efficient metabolic networks and offer advanced applications in environmental industries.

Arabic Abstract


الخصائص الجينومية وخصائص الشبكات الأيضية في الثيرموفيلات والسيكروفيلات مقارنة بالميزوفيليات

الثيرموفيلات (Thermophiles) والسيكروفيلات (Psychrophiles) هما كائنات دقيقة محبة للظروف القاسية وتزدهر في البيئات الصعبة. توجد الثيرموفيلات غالبا في الينابيع الحارة وتزدهر في درجات الحرارة المرتفعة، بينما تنمو السيكروفيلات في البيئات شديدة البرودة، بما في ذلك المناطق القطبية وأعماق المحيطات. وعلى الرغم من دورها الحاسم في التكنولوجيا الحيوية والأبحاث البيئية، إلا أن آليات تكيفها لا تزال غير مفهومة بشكل جيد. الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو فهم الخصائص الجينومية وميزات الشبكات الأيضية في الثيرموفيلات والسيكروفيلات مقارنة بالميزوفيليات (mesophiles)، الكائنات الدقيقة التي تعيش في الظروف البيئية الطبيعية. تم جمع جينومات 59 نوعا من الثيرموفيلات والسيكروفيلات والميزوفيليات من قاعدة بيانات NCBI. وقد استُخدمت هذه الجينومات لتحليل ميزاتها الأساسية مثل طول الجينوم، وعدد تسلسلات الحمض النووي المشفرة للبروتين (CDS counts)، ومحتوى G+C على مستوى الجينوم بالكامل ومستوى الكودونات المحددة. كما تم تحليل استخدام الكودونات وتوزيع الأحماض الأمينية، وتم بناء نماذج أيضية على نطاق الجينوم باستخدام منصة ModelSEED. شملت التحليلات الإضافية محاكاة النماذج، وتقييم معدلات إنتاج المستقلبات، وتحليل إثراء المسارات للتفاعلات النشطة الفريدة، وإنشاء شبكة أيضية لجميع الأنواع . تشير الدراسة إلى أن السيكروفيلات تمتلك جينومات أكبر، وعدداً أكبر من الجينات، وشبكات أيضية أوسع، وتبادلاً أقل للمستقلبات، ومعدلات نمو أعلى مقارنة بالثيرموفيلات. لدى كلا المجموعتين تفضيلات محددة لاستخدام الكودونات والأحماض الأمينية؛ حيث تفضل الثيرموفيلات الكودونات الغنية بالجوانين والسيتوزين. بينما تفضل السيكروفيلات الكودونات الغنية بالأدينين والثايمين. تمنحنا هذه التحليلات فهما أعمق لآليات تكيف الثيرموفيلات والسيكروفيلات، مما يمكّن من استخدامها المتقدم في التكنولوجيا الحيوية للعمليات الصناعية التي تتطلب استقراراً في درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جداً. كما تدعم إنتاج الوقود الحيوي من خلال الاستفادة من كفاءتها في الشبكات الأيضية وتقدم تطبيقات متقدمة في الصناعات البيئية.

Download
COinS