Applying functional metagenomics to search for novel lignocellulosic enzymes in a microbial consortium derived from a thermophilic composting phase of sugarcane bagasse and cow manure

Abstract

Environments where lignocellulosic biomass is naturally decomposed are sources for discovery of new hydrolytic enzymes that can reduce the high cost of enzymatic cocktails for second-generation ethanol production. Metagenomic analysis was applied to discover genes coding carbohydrate-depleting enzymes from a microbial laboratory subculture using a mix of sugarcane bagasse and cow manure in the thermophilic composting phase. From a fosmid library, 182 clones had the ability to hydrolyse carbohydrate. Sequencing of 30 fosmids resulted in 12 contigs encoding 34 putative carbohydrate-active enzymes belonging to 17 glycosyl hydrolase (GH) families. One third of the putative proteins belong to the GH3 family, which includes β-glucosidase enzymes known to be important in the cellulose-deconstruction process but present with low activity in commercial enzyme preparations. Phylogenetic analysis of the amino acid sequences of seven selected proteins, including three β-glucosidases, showed low relatedness with protein sequences deposited in databases. These findings highlight microbial consortia obtained from a mixture of decomposing biomass residues, such as sugar cane bagasse and cow manure, as a rich resource of novel enzymes potentially useful in biotechnology for saccharification of lignocellulosic substrate.

Cloning of novel bacterial xylanases from lignocellulose-enriched compost metagenomic libraries

“…The number of clones to be screened can also be lowered by increasing the amount of sequence per clone, e.g. by using large-insert fosmid vectors (Colombo et al 2016; Lewin et al 2017). However, in large-insert vectors the enzymes are expressed from their native promoters, which can result in low expression in the cloning host ( E. coli ).…”

Metagenomic Approaches as a Tool to Unravel Promising Biocatalysts from Natural Resources: Soil and Water

“…In some studies performed from these raw resources, an additional enrichment step was performed to provide favourable growth conditions for certain microorganisms of interest, often present in small abundance, to the detriment of others [79]. These enrichments were implemented by introducing specific substrates, such as cellulose, xylan, chitin, starch and glucose [31,33,38], and even olive oil [47], that stimulate specific microbial activities. On the other hand, culture enrichment also occurred by controlling environmental conditions, in particular the temperature, which is generally in agreement with the temperature of the sampling locations [26].…”

Caracterização taxônomica e funcional da comunidade microbiana envolvida na obtenção de biogás e outros compostos de interesse biotecnológico a partir de resíduos do processamento de citros/laranja

“…Em relação as técnicas citadas de sequenciamento de nova geração, o metabarcoding (sequenciamento massivo de um gene de interesse, como RNAr 16S) possibilita apenas informações acerca da identidade dos microrganismos em determinada comunidade (metataxonômia), além da avaliação dos índices ecológicos pertinentes, como índices de diversidade e dominância. Em contrapartida, o uso do shotgun metagenômico, assim como no metabarcoding tem-se acesso às informações para análise taxônomica e funcional da comunidade (BRUCE et al, 2010;COLOMBO et al, 2016). Por meio da técnica de shotgun, não se tem apenas sua identificação e estabelecimento de relações taxônomicas, mas também informações sobre genes codificadores de enzimas de interesse.…”

“…Tal possibilidade é baseada no sequenciamento randômico do genoma, possibilitando o entendimento da diversidade fisiológica da microbiota do inóculo para possível relação com as variáveis operacionais em cada processo, e com as rotas metabólicas envolvidas na degradação da lignocelulose (BRUCE et al, 2010;COLOMBO et al, 2016;DELFORNO et al, 2017).…”

“…A avaliação da comunidade microbiana, bem como a predição das enzimas envolvidas no processo fermentativo, é fundamental para o entendimento dos mecanismos de conversão da biomassa residual em produtos de valor agregado, como biogás e compostos orgânicos solúveis (COLOMBO et al, 2016). Uma vez que apenas uma pequena porcentagem de procariotos é cultivável, o uso de técnicas de biologia molecular, como o sequenciamento de nova geração (NGS) aplicados à amostras ambientais são úteis na caracterização destas comunidades, possibilitando o estudo de seu papel funcional e taxônomico na degradação de resíduos orgânicos (COLOMBO et al, 2016;KESKIN et al, 2018).…”