Published February 1, 2018
| Version v1
Publication
Open
High activity CAZyme cassette for improving biomass degradation in thermophiles
Creators
- 1. National Renewable Energy Laboratory
- 2. University of Georgia
- 3. King Mongkut's University of Technology Thonburi
Description
Thermophilic microorganisms and their enzymes offer several advantages for industrial application over their mesophilic counterparts. For example, a hyperthermophilic anaerobe, Caldicellulosiruptor bescii, was recently isolated from hot springs in Kamchatka, Siberia, and shown to have very high cellulolytic activity. Additionally, it is one of a few microorganisms being considered as viable candidates for consolidated bioprocessing applications. Moreover, C. bescii is capable of deconstructing plant biomass without enzymatic or chemical pretreatment. This ability is accomplished by the production and secretion of free, multi-modular and multi-functional enzymes, one of which, CbCel9A/Cel48A also known as CelA, is able to outperform enzymes found in commercial enzyme preparations. Furthermore, the complete C. bescii exoproteome is extremely thermostable and highly active at elevated temperatures, unlike commercial fungal cellulases. Therefore, understanding the functional diversity of enzymes in the C. bescii exoproteome and how inter-molecular synergy between them confers C. bescii with its high cellulolytic activity is an important endeavor to enable the production of more efficient biomass degrading enzyme formulations and in turn, better cellulolytic industrial microorganisms.To advance the understanding of the C. bescii exoproteome we have expressed, purified, and tested four of the primary enzymes found in the exoproteome and we have found that the combination of three or four of the most highly expressed enzymes exhibit synergistic activity. We also demonstrated that discrete combinations of these enzymes mimic and even improve upon the activity of the whole C. bescii exoproteome, even though some of the enzymes lack significant activity on their own.We have demonstrated that it is possible to replicate the cellulolytic activity of the native C. bescii exoproteome utilizing a minimal gene set, and that these minimal gene sets are more active than the whole exoproteome. In the future, this may lead to more simplified and efficient cellulolytic enzyme preparations or yield improvements when these enzymes are expressed in microorganisms engineered for consolidated bioprocessing.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
توفر الكائنات الحية الدقيقة المحبة للحرارة وإنزيماتها العديد من المزايا للتطبيق الصناعي على نظيراتها المحبة للوسطى. على سبيل المثال، تم عزل اللاهوائية شديدة الحرارة، Caldicellulosiruptor bescii، مؤخرًا من الينابيع الساخنة في كامتشاتكا، سيبيريا، وتبين أن لها نشاطًا عالي التحلل. بالإضافة إلى ذلك، فهي واحدة من عدد قليل من الكائنات الحية الدقيقة التي تعتبر مرشحة قابلة للتطبيق لتطبيقات المعالجة الحيوية الموحدة. علاوة على ذلك، فإن C. bescii قادر على تفكيك الكتلة الحيوية النباتية دون معالجة إنزيمية أو كيميائية مسبقة. يتم تحقيق هذه القدرة من خلال إنتاج وإفراز إنزيمات حرة ومتعددة الوحدات ومتعددة الوظائف، أحدها، CbCel9A/Cel48A المعروف أيضًا باسم CelA، قادر على التفوق على الإنزيمات الموجودة في مستحضرات الإنزيمات التجارية. علاوة على ذلك، فإن بروتيوم C. bescii الخارجي الكامل قابل للحرارة للغاية ونشط للغاية في درجات الحرارة المرتفعة، على عكس السليلوز الفطري التجاري. لذلك، فإن فهم التنوع الوظيفي للإنزيمات في البروتين الخارجي لـ C. bescii وكيف أن التآزر بين الجزيئات يمنح البروتين الخارجي لـ C. bescii مع نشاطه التحليلي العالي هو مسعى مهم لتمكين إنتاج تركيبات إنزيم مهينة للكتلة الحيوية أكثر كفاءة وبالتالي تحسين الكائنات الحية الدقيقة الصناعية السليلوزية. لتعزيز فهم البروتين الخارجي لـ C. bescii، قمنا بالتعبير عن أربعة من الإنزيمات الأولية الموجودة في البروتين الخارجي وتنقيتها واختبارها ووجدنا أن مزيجًا من ثلاثة أو أربعة من الإنزيمات الأكثر تعبيرًا يظهر نشاطًا تآزريًا. لقد أظهرنا أيضًا أن التركيبات المنفصلة من هذه الإنزيمات تحاكي بل وتحسن نشاط البروتين الخارجي الكامل لـ C. bescii، على الرغم من أن بعض الإنزيمات تفتقر إلى نشاط كبير من تلقاء نفسها. لقد أثبتنا أنه من الممكن تكرار النشاط التحليلي للبروتين الخارجي الأصلي لـ C. bescii باستخدام مجموعة جينات دنيا، وأن مجموعات الجينات الدنيا هذه أكثر نشاطًا من البروتين الخارجي بأكمله. في المستقبل، قد يؤدي ذلك إلى تحضيرات إنزيم سليوليتي أكثر بساطة وكفاءة أو تحسينات ناتجة عندما يتم التعبير عن هذه الإنزيمات في الكائنات الحية الدقيقة المصممة للمعالجة الحيوية الموحدة.Translated Description (French)
Les micro-organismes thermophiles et leurs enzymes offrent plusieurs avantages pour une application industrielle par rapport à leurs homologues mésophiles. Par exemple, un anaérobie hyperthermophile, Caldicellulosiruptor bescii, a récemment été isolé dans des sources chaudes du Kamchatka, en Sibérie, et s'est avéré avoir une activité cellulolytique très élevée. De plus, c'est l'un des rares micro-organismes considérés comme des candidats viables pour les applications de bioprocédés consolidés. De plus, C. bescii est capable de déconstruire la biomasse végétale sans prétraitement enzymatique ou chimique. Cette capacité est accomplie par la production et la sécrétion d'enzymes libres, multimodulaires et multifonctionnelles, dont l'une, CbCel9A/Cel48A, également connue sous le nom de CelA, est capable de surpasser les enzymes trouvées dans les préparations enzymatiques commerciales. De plus, l'exoprotéome complet de C. bescii est extrêmement thermostable et très actif à des températures élevées, contrairement aux cellulases fongiques commerciales. Par conséquent, la compréhension de la diversité fonctionnelle des enzymes dans l'exoprotéome de C. bescii et de la façon dont la synergie intermoléculaire entre elles confère à C. bescii sa forte activité cellulolytique est un effort important pour permettre la production de formulations d'enzymes dégradant la biomasse plus efficaces et, à son tour, de meilleurs micro-organismes industriels cellulolytiques. Pour faire progresser la compréhension de l'exoprotéome de C. bescii, nous avons exprimé, purifié et testé quatre des enzymes primaires trouvées dans l'exoprotéome et nous avons constaté que la combinaison de trois ou quatre des enzymes les plus fortement exprimées présente une activité synergique. Nous avons également démontré que des combinaisons discrètes de ces enzymes imitent et même améliorent l'activité de l'ensemble de l'exoprotéome de C. bescii, même si certaines des enzymes manquent d'activité significative à elles seules. Nous avons démontré qu'il est possible de répliquer l'activité cellulolytique de l'exoprotéome de C. bescii natif en utilisant un ensemble minimal de gènes, et que ces ensembles minimaux de gènes sont plus actifs que l'ensemble de l'exoprotéome. À l'avenir, cela pourrait conduire à des préparations d'enzymes cellulolytiques plus simplifiées et plus efficaces ou à des améliorations du rendement lorsque ces enzymes sont exprimées dans des micro-organismes conçus pour le biotraitement consolidé.Translated Description (Spanish)
Los microorganismos termófilos y sus enzimas ofrecen varias ventajas para la aplicación industrial sobre sus homólogos mesófilos. Por ejemplo, un anaerobio hipertermófilo, Caldicellulosiruptor bescii, fue aislado recientemente de aguas termales en Kamchatka, Siberia, y demostró tener una actividad celulolítica muy alta. Además, es uno de los pocos microorganismos considerados como candidatos viables para aplicaciones de bioprocesamiento consolidado. Además, C. bescii es capaz de deconstruir la biomasa vegetal sin pretratamiento enzimático o químico. Esta capacidad se logra mediante la producción y secreción de enzimas libres, multimodulares y multifuncionales, una de las cuales, CbCel9A/Cel48A también conocida como CelA, es capaz de superar a las enzimas que se encuentran en las preparaciones enzimáticas comerciales. Además, el exoproteoma completo de C. bescii es extremadamente termoestable y altamente activo a temperaturas elevadas, a diferencia de las celulasas fúngicas comerciales. Por lo tanto, comprender la diversidad funcional de las enzimas en el exoproteoma de C. bescii y cómo la sinergia intermolecular entre ellas confiere a C. bescii su alta actividad celulolítica es un esfuerzo importante para permitir la producción de formulaciones enzimáticas degradantes de biomasa más eficientes y, a su vez, mejores microorganismos industriales celulolíticos. Para avanzar en la comprensión del exoproteoma de C. bescii, hemos expresado, purificado y probado cuatro de las enzimas primarias que se encuentran en el exoproteoma y hemos encontrado que la combinación de tres o cuatro de las enzimas más altamente expresadas exhiben actividad sinérgica. También demostramos que las combinaciones discretas de estas enzimas imitan e incluso mejoran la actividad de todo el exoproteoma de C. bescii, a pesar de que algunas de las enzimas carecen de actividad significativa por sí solas. Hemos demostrado que es posible replicar la actividad celulolítica del exoproteoma nativo de C. bescii utilizando un conjunto mínimo de genes, y que estos conjuntos mínimos de genes son más activos que todo el exoproteoma. En el futuro, esto puede conducir a preparaciones de enzimas celulolíticas más simplificadas y eficientes o a mejoras en el rendimiento cuando estas enzimas se expresan en microorganismos diseñados para el bioprocesamiento consolidado.Files
s13068-018-1014-2.pdf
Files
(3.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d4280a24e3792df2781ab49f15000f88
|
3.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- كاسيت كازيم عالي النشاط لتحسين تدهور الكتلة الحيوية في الأليفات الحرارية
- Translated title (French)
- Cassette CAZyme haute activité pour améliorer la dégradation de la biomasse chez les thermophiles
- Translated title (Spanish)
- Casete CAZyme de alta actividad para mejorar la degradación de biomasa en termófilos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2791151778
- DOI
- 10.1186/s13068-018-1014-2
References
- https://openalex.org/W1540706860
- https://openalex.org/W1990591017
- https://openalex.org/W2000662339
- https://openalex.org/W2009674410
- https://openalex.org/W2017389387
- https://openalex.org/W2021654888
- https://openalex.org/W2040186968
- https://openalex.org/W2047659421
- https://openalex.org/W2049835823
- https://openalex.org/W2060168049
- https://openalex.org/W2063121202
- https://openalex.org/W2100515888
- https://openalex.org/W2104494486
- https://openalex.org/W2113321146
- https://openalex.org/W2116581415
- https://openalex.org/W2117359796
- https://openalex.org/W2131538335
- https://openalex.org/W2134567163
- https://openalex.org/W2143467231
- https://openalex.org/W2143926699
- https://openalex.org/W2152613450
- https://openalex.org/W2164106355
- https://openalex.org/W2164565612
- https://openalex.org/W2416721434
- https://openalex.org/W2593580221
- https://openalex.org/W2747489921
- https://openalex.org/W2765909091
- https://openalex.org/W4211221678
- https://openalex.org/W4245139959