Published June 18, 2018
| Version v1
Publication
Open
Defining functional diversity for lignocellulose degradation in a microbial community using multi-omics studies
Creators
- 1. University of York
- 2. Brazilian Agricultural Research Corporation
- 3. Universidade de São Paulo
Description
Lignocellulose is one of the most abundant forms of fixed carbon in the biosphere. Current industrial approaches to the degradation of lignocellulose employ enzyme mixtures, usually from a single fungal species, which are only effective in hydrolyzing polysaccharides following biomass pre-treatments. While the enzymatic mechanisms of lignocellulose degradation have been characterized in detail in individual microbial species, the microbial communities that efficiently breakdown plant materials in nature are species rich and secrete a myriad of enzymes to perform "community-level" metabolism of lignocellulose. Single-species approaches are, therefore, likely to miss important aspects of lignocellulose degradation that will be central to optimizing commercial processes. Here, we investigated the microbial degradation of wheat straw in liquid cultures that had been inoculated with wheat straw compost. Samples taken at selected time points were subjected to multi-omics analysis with the aim of identifying new microbial mechanisms for lignocellulose degradation that could be applied in industrial pre-treatment of feedstocks. Phylogenetic composition of the community, based on sequenced bacterial and eukaryotic ribosomal genes, showed a gradual decrease in complexity and diversity over time due to microbial enrichment. Taxonomic affiliation of bacterial species showed dominance of Bacteroidetes and Proteobacteria and high relative abundance of genera Asticcacaulis, Leadbetterella and Truepera. The eukaryotic members of the community were enriched in peritrich ciliates from genus Telotrochidium that thrived in the liquid cultures compared to fungal species that were present in low abundance. A targeted metasecretome approach combined with metatranscriptomics analysis, identified 1127 proteins and showed the presence of numerous carbohydrate-active enzymes extracted from the biomass-bound fractions and from the culture supernatant. This revealed a wide array of hydrolytic cellulases, hemicellulases and carbohydrate-binding modules involved in lignocellulose degradation. The expression of these activities correlated to the changes in the biomass composition observed by FTIR and ssNMR measurements. A combination of mass spectrometry-based proteomics coupled with metatranscriptomics has enabled the identification of a large number of lignocellulose degrading enzymes that can now be further explored for the development of improved enzyme cocktails for the treatment of plant-based feedstocks. In addition to the expected carbohydrate-active enzymes, our studies reveal a large number of unknown proteins, some of which may play a crucial role in community-based lignocellulose degradation.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الليجنوسليلوز هو واحد من أكثر أشكال الكربون الثابت وفرة في المحيط الحيوي. تستخدم الأساليب الصناعية الحالية لتحلل الليجنوسليلوز مخاليط الإنزيم، عادة من نوع فطري واحد، والتي تكون فعالة فقط في تحلل السكريات بعد المعالجة المسبقة للكتلة الحيوية. في حين أن الآليات الأنزيمية لتحلل الليجنوسلولوز قد تم وصفها بالتفصيل في الأنواع الميكروبية الفردية، فإن المجتمعات الميكروبية التي تحلل المواد النباتية بكفاءة في الطبيعة هي أنواع غنية وتفرز عددًا لا يحصى من الإنزيمات لإجراء عملية التمثيل الغذائي "على مستوى المجتمع" للليجنوسلولوز. لذلك، من المرجح أن تفوت مناهج الأنواع الفردية جوانب مهمة من تحلل الليجنوسليلوز التي ستكون أساسية لتحسين العمليات التجارية. هنا، قمنا بالتحقيق في التحلل الميكروبي لقش القمح في المزارع السائلة التي تم تلقيحها بسماد قش القمح. خضعت العينات المأخوذة في نقاط زمنية مختارة لتحليل متعدد الجزيئات بهدف تحديد آليات ميكروبية جديدة لتحلل الليجنوسليلوز يمكن تطبيقها في المعالجة الصناعية المسبقة للمواد الأولية. أظهر التركيب الوراثي للمجتمع، بناءً على الجينات الريبوسومية البكتيرية وحقيقية النواة المتسلسلة، انخفاضًا تدريجيًا في التعقيد والتنوع بمرور الوقت بسبب الإثراء الميكروبي. أظهر الانتماء التصنيفي للأنواع البكتيرية هيمنة البكتيريا الجرثومية والبروتوباكتريا والوفرة النسبية العالية للأجناس Asticcacaulis و Leadbetterella و Truepera. تم إثراء أعضاء حقيقيات النوى في المجتمع في الهدبيات المحيطة من جنس Telotrochidium الذي ازدهر في الثقافات السائلة مقارنة بالأنواع الفطرية التي كانت موجودة بوفرة منخفضة. حدد نهج metasecretome المستهدف جنبًا إلى جنب مع تحليل metatranscriptomics، 1127 بروتينًا وأظهر وجود العديد من الإنزيمات النشطة بالكربوهيدرات المستخرجة من الأجزاء المرتبطة بالكتلة الحيوية ومن المادة الطافية المستزرعة. كشف هذا عن مجموعة واسعة من السليولات المائية، وأنزيمات هيميسيلولاز ووحدات ربط الكربوهيدرات المشاركة في تحلل الليجنوسليلوز. يرتبط التعبير عن هذه الأنشطة بالتغيرات في تكوين الكتلة الحيوية التي لاحظتها قياسات FTIR و SSNMR. وقد مكن مزيج من البروتينات القائمة على قياس الطيف الكتلي إلى جانب الميتاترانسكريبتوميكس من تحديد عدد كبير من الإنزيمات المتحللة الليجنوسليلوزية التي يمكن الآن استكشافها بشكل أكبر لتطوير كوكتيلات إنزيم محسنة لمعالجة المواد الأولية النباتية. بالإضافة إلى الإنزيمات النشطة للكربوهيدرات المتوقعة، تكشف دراساتنا عن عدد كبير من البروتينات غير المعروفة، والتي قد يلعب بعضها دورًا حاسمًا في تدهور الليجنوسليلوز المجتمعي.Translated Description (French)
La lignocellulose est l'une des formes les plus abondantes de carbone fixe dans la biosphère. Les approches industrielles actuelles de la dégradation de la lignocellulose utilisent des mélanges d'enzymes, généralement d'une seule espèce fongique, qui ne sont efficaces que pour hydrolyser les polysaccharides après des prétraitements de biomasse. Alors que les mécanismes enzymatiques de la dégradation de la lignocellulose ont été caractérisés en détail chez des espèces microbiennes individuelles, les communautés microbiennes qui décomposent efficacement les matières végétales dans la nature sont riches en espèces et sécrètent une myriade d'enzymes pour effectuer le métabolisme « communautaire » de la lignocellulose. Les approches monospécifiques risquent donc de passer à côté d'aspects importants de la dégradation de la lignocellulose qui seront essentiels à l'optimisation des processus commerciaux. Ici, nous avons étudié la dégradation microbienne de la paille de blé dans des cultures liquides qui avaient été inoculées avec du compost de paille de blé. Les échantillons prélevés à des moments sélectionnés ont été soumis à une analyse multi-omique dans le but d'identifier de nouveaux mécanismes microbiens de dégradation de la lignocellulose qui pourraient être appliqués au prétraitement industriel des matières premières. La composition phylogénétique de la communauté, basée sur des gènes ribosomiques bactériens et eucaryotes séquencés, a montré une diminution progressive de la complexité et de la diversité au fil du temps en raison de l'enrichissement microbien. L'affiliation taxonomique des espèces bactériennes a montré une dominance des Bacteroidetes et des Proteobacteria et une abondance relative élevée des genres Asticcacaulis, Leadbetterella et Truepera. Les membres eucaryotes de la communauté ont été enrichis en ciliés péritriches du genre Telotrochidium qui ont prospéré dans les cultures liquides par rapport aux espèces fongiques qui étaient présentes en faible abondance. Une approche ciblée du métasécrétome combinée à une analyse métatranscriptomique a identifié 1127 protéines et a montré la présence de nombreuses enzymes actives sur les glucides extraites des fractions liées à la biomasse et du surnageant de culture. Cela a révélé un large éventail de cellulases hydrolytiques, d'hémicellulases et de modules de liaison aux glucides impliqués dans la dégradation de la lignocellulose. L'expression de ces activités est corrélée aux changements dans la composition de la biomasse observés par les mesures FTIR et ssNMR. Une combinaison de protéomique basée sur la spectrométrie de masse couplée à la métatranscriptomique a permis l'identification d'un grand nombre d'enzymes dégradant la lignocellulose qui peuvent maintenant être explorées davantage pour le développement de cocktails enzymatiques améliorés pour le traitement des matières premières à base de plantes. En plus des enzymes actives sur les glucides attendues, nos études révèlent un grand nombre de protéines inconnues, dont certaines peuvent jouer un rôle crucial dans la dégradation de la lignocellulose à base communautaire.Translated Description (Spanish)
La lignocelulosa es una de las formas más abundantes de carbono fijo en la biosfera. Los enfoques industriales actuales para la degradación de la lignocelulosa emplean mezclas enzimáticas, generalmente de una sola especie fúngica, que solo son eficaces para hidrolizar polisacáridos después de pretratamientos de biomasa. Si bien los mecanismos enzimáticos de la degradación de la lignocelulosa se han caracterizado en detalle en especies microbianas individuales, las comunidades microbianas que descomponen eficientemente los materiales vegetales en la naturaleza son ricas en especies y secretan una miríada de enzimas para realizar el metabolismo de la lignocelulosa a nivel comunitario. Por lo tanto, es probable que los enfoques de una sola especie pasen por alto aspectos importantes de la degradación de la lignocelulosa que serán fundamentales para optimizar los procesos comerciales. Aquí, investigamos la degradación microbiana de la paja de trigo en cultivos líquidos que habían sido inoculados con compost de paja de trigo. Las muestras tomadas en puntos de tiempo seleccionados se sometieron a un análisis multiómico con el objetivo de identificar nuevos mecanismos microbianos para la degradación de la lignocelulosa que pudieran aplicarse en el pretratamiento industrial de las materias primas. La composición filogenética de la comunidad, basada en genes ribosómicos bacterianos y eucariotas secuenciados, mostró una disminución gradual de la complejidad y diversidad a lo largo del tiempo debido al enriquecimiento microbiano. La afiliación taxonómica de las especies bacterianas mostró un predominio de Bacteroidetes y Proteobacterias y una alta abundancia relativa de los géneros Asticcacaulis, Leadbetterella y Truepera. Los miembros eucariotas de la comunidad se enriquecieron en ciliados de peritrich del género Telotrochidium que prosperaron en los cultivos líquidos en comparación con las especies de hongos que estaban presentes en baja abundancia. Un enfoque de metasecretoma dirigido combinado con análisis metatranscriptómico, identificó 1127 proteínas y mostró la presencia de numerosas enzimas activas en carbohidratos extraídas de las fracciones unidas a la biomasa y del sobrenadante del cultivo. Esto reveló una amplia gama de celulasas hidrolíticas, hemicelulasas y módulos de unión a carbohidratos implicados en la degradación de la lignocelulosa. La expresión de estas actividades se correlacionó con los cambios en la composición de la biomasa observados por las mediciones de FTIR y ssNMR. Una combinación de proteómica basada en espectrometría de masas junto con metatranscriptómica ha permitido la identificación de un gran número de enzimas degradantes de lignocelulosa que ahora se pueden explorar más a fondo para el desarrollo de cócteles enzimáticos mejorados para el tratamiento de materias primas de origen vegetal. Además de las enzimas activas en carbohidratos esperadas, nuestros estudios revelan una gran cantidad de proteínas desconocidas, algunas de las cuales pueden desempeñar un papel crucial en la degradación de la lignocelulosa basada en la comunidad.Files
s13068-018-1164-2.pdf
Files
(2.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:2336ca27230200150476bd244b737416
|
2.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعريف التنوع الوظيفي لتحلل الليجنوسليلوز في المجتمع الميكروبي باستخدام دراسات متعددة الجزيئات
- Translated title (French)
- Définir la diversité fonctionnelle pour la dégradation de la lignocellulose dans une communauté microbienne à l'aide d'études multi-omiques
- Translated title (Spanish)
- Definición de la diversidad funcional para la degradación de la lignocelulosa en una comunidad microbiana mediante estudios multiómicos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2807934525
- DOI
- 10.1186/s13068-018-1164-2
References
- https://openalex.org/W125827869
- https://openalex.org/W1507573241
- https://openalex.org/W1927655065
- https://openalex.org/W1966865817
- https://openalex.org/W1977019412
- https://openalex.org/W1979966476
- https://openalex.org/W1996423252
- https://openalex.org/W1997763592
- https://openalex.org/W1998347494
- https://openalex.org/W2001076707
- https://openalex.org/W2007153665
- https://openalex.org/W2009497214
- https://openalex.org/W2009847821
- https://openalex.org/W2016866428
- https://openalex.org/W2022269454
- https://openalex.org/W2023998715
- https://openalex.org/W2029330897
- https://openalex.org/W2030286131
- https://openalex.org/W2034150706
- https://openalex.org/W2034285706
- https://openalex.org/W2035187492
- https://openalex.org/W2043556429
- https://openalex.org/W2046811660
- https://openalex.org/W2050463578
- https://openalex.org/W2051636171
- https://openalex.org/W2055770801
- https://openalex.org/W2058117031
- https://openalex.org/W2064625584
- https://openalex.org/W2067872462
- https://openalex.org/W2073104725
- https://openalex.org/W2080592448
- https://openalex.org/W2082117651
- https://openalex.org/W2085076733
- https://openalex.org/W2086331859
- https://openalex.org/W2086540936
- https://openalex.org/W2097546452
- https://openalex.org/W2098839738
- https://openalex.org/W2100305481
- https://openalex.org/W2103539617
- https://openalex.org/W2105089251
- https://openalex.org/W2105135704
- https://openalex.org/W2115701239
- https://openalex.org/W2122414480
- https://openalex.org/W2123088611
- https://openalex.org/W2126419817
- https://openalex.org/W2128529459
- https://openalex.org/W2133096092
- https://openalex.org/W2133211145
- https://openalex.org/W2134985453
- https://openalex.org/W2138111878
- https://openalex.org/W2147199223
- https://openalex.org/W2147958447
- https://openalex.org/W2148490163
- https://openalex.org/W2151041036
- https://openalex.org/W2152770371
- https://openalex.org/W2165876708
- https://openalex.org/W2168267099
- https://openalex.org/W2171091522
- https://openalex.org/W2177858583
- https://openalex.org/W2207264645
- https://openalex.org/W2254517477
- https://openalex.org/W2277067157
- https://openalex.org/W2309024059
- https://openalex.org/W2389648433
- https://openalex.org/W2474971645
- https://openalex.org/W2560427999
- https://openalex.org/W2566403979
- https://openalex.org/W2567648082
- https://openalex.org/W2582893778
- https://openalex.org/W2615699401
- https://openalex.org/W2625658270
- https://openalex.org/W2742831916
- https://openalex.org/W2765229221
- https://openalex.org/W4214911971