Identification and Expression of Oat Hemoglobin

Abstract

Hemoglobin is mainly viewed as an oxygen and carbon dioxide carrier in the blood of animals and thus essential for life as we know it. During the course of evolution, plants have also developed versions of this protein, for similar and different purposes, such as regulation of nitric oxide levels. A lot of research has been put into characterization of hemoglobin from monocots, including rice, barley and maize. However, another monocot, oat, has been a hot topic during recent years within nutritional sciences due to its discovered health benefits, leading to intense research on this crop and several oat-based products on the market. Due to its complex genomic structure, the genome was just recently elucidated. Therefore, this thesis has been focusing on identifying and expressing oat hemoglobin for the first time and investigating its potential future use as a Hemoglobin-based oxygen carrier and/or nutritional additive. In essence, three non-symbiotic hemoglobin were found with high similarity to hemoglobin from rice and barley (~83% and ~92%, respectively). During condition optimization for the expression, high cell density (~3) was the most important parameter to achieve reduced hemoglobin, while precise concentrations of induction compounds were less important. Spectrophotometric assays revealed expression of active hemoglobin. For purification, both cation and anion exchange chromatography was tested without successful results. Therefore, optimization of the purification protocol is must moving forward for future characterization of the hemoglobin. Despite this, these hemoglobin are a new and interesting research area that could be a benefit for modern medicine and nutritional sciences.

Popular Abstract (Swedish)

Möjlig lösning av bristen på bloddonationer med hjälp av outforskat havrehemoglobin.
Hemoglobin är främst förknippat med blod i oss människor och andra djur, men tänk om någon berättade att det syretransporterade proteinet också finns i växter. Underligt, eller hur? Växter har ju inget blod men ändå finns det där. I denna rapport beskrivs identifieringen av tre nyfunna havrehemoglobin som har likande struktur som ris- och kornhemoglobin. Dessa har producerats i aktiv och fungerade form men det har visat sig svåra att separera från andra proteiner, åtminstone under detta arbetes korta tidsram.
I dagens samhälle är det få av oss som inte blivit uppmanade till att donera blod och detta med all rätta. I Skåne uppges det vara 3 av 100 personer som donerar blod och därför finns en mycket stor brist på vissa blodgrupper. Detta är även ett globalt problem, vilket Röda Korset återkommande informerar om. Denna brist innebär sämre överlevnadsmöjligheter för människor som är i akut behov av nytt blod, som vid en allvarlig olycka eller operation. Det kan handla om allt från en bilolycka till en oplanerad operation där det är bråttom med färskt blod för att hjälpa kroppen att återställa sig. Detta kan hända vem som helst när som helst, vilket innebär att detta problem är inget man skämtar bort eller kan blunda för. Tänk den ökade tryggheten med vetskapen att om något oförutsägbart händer mig eller närstående, så finns det en universell lösning på detta problem. Ett sätt att hjälpa hjärtat fortsätta pumpa ut syre i kroppen och låta det kämpa vidare. Detta behöver inte vara en utopisk tanke. Och tänk om denna lösning kommer från växtriket. Vad konstigt, men spännande!
För runt 70 år sedan upptäcktes det första hemoglobinet inom växtriket, alltså levande varelser utan blod. Sedan dess har mycket forskning lagts på att utforska detta relativt nya forskningsområde och flera olika typer av hemoglobin har hittats bland olika växter. Men varför skulle detta vara intressant? Tänk om denna nya typ av hemoglobin har egenskaper som skulle kunna utnyttjas som ett tillfälligt hjälpmedel vid blodbrist. En intressant kandidat till detta är havrehemoglobin, dels för att detta aldrig tidigare har utforskats och dels för de andra hälsofrämjande effekter havre har visats sig ha. Därför skulle de tre aktiva hemoglobin som beskrivs i denna rapport vara en grund för tillämpningen av växthemoglobin, där ett fungerande blodsubstitut för alla vore målet att uppnå. Ett alternativ kan även vara att använda proteinet som ett kosttillskott, vilket skulle ge en ny och utmärkt källa av protein och järn i ett.
Även om denna rapport har lagt grunden till framtida möjligheter att arbeta med havrehemoglobin, krävs det mycket tid och resurser innan denna utopiska lösning också blir verklighet. Detta med tanke på att i stort sätt bara identifiering, kloning, transformation och försök till upprening är det som har gjorts med dessa hemoglobin i nuläget. Men även om vägen till målet må vara lång och kantad med utmaningar är detta en möjlighet som måste utforskas. Varje framtida liv som kan räddas från en död på grund av bristande blodtillgångar vore en vinst och motivation nog. Det dags att låta havre vara basen för en ny livräddare och förse våra lungor med morgondagens syre.

• author: Christensen, Simon
• supervisor: Nélida Leiva
• organization: Pure and Applied Biochemistry; Computational Chemistry
• alternative title: Identifikation och uttryck av havre Hemoglobin
• course: KBKM05 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences; Technology and Engineering; Medicine and Health Sciences
• keywords: Hemoglobin, Oat, Plant Hemoglobin, Hemoglobin-based oxygen carrier, non-symbiotic Hemoglobin, oxygen transporter, applied biochemistry
• language: English
• additional info: Master Thesis was finished 2019-01-28 at the Department of Pure and Applied Biochemistry.
• id: 8968853
• date added to LUP: 2022-08-01 12:20:55
• date last changed: 2022-08-01 12:20:55