濃縮されたルーメン嫌気性コンソーシアムからのセルロースソーム、多糖類利用遺伝子座、リグノセルロースのマルチオミクス的な発見

Multi-omic directed discovery of cellulosomes, polysaccharide utilization loci, and lignocellulases from an enriched rumen anaerobic consortium.

• Geizecler Tomazetto
• Agnes C Pimentel
• Daniel Wibberg
• Neil Dixon
• Fabio M Squina

抄録

リグノセルロースは、再生可能な炭素源の中でも最も豊富なものの一つであり、石油に代わる燃料や化学物質の生産に利用されています。それにもかかわらず、リグノセルロースの糖化プロセスは、下流のアプリケーションのための糖を放出するために、最も重要な挑戦的な経済的要因の1つです。効率的なリグノセルロース分解のために様々な炭水化物活性酵素（CAZymes）の間で必要とされる相乗効果は、多くの場合、単一株からの酵素混合物では満足に達成されません。この課題を克服するためには、効率的なCAZymesのアーセナルを持つ微生物群集を開発するための濃縮戦略を適用し、リグノセルロースの分解を改善するために、相補的かつ相乗的な特性を取り入れた。我々は、サトウキビバガス（SB）上に設立された濃縮ルーメン嫌気性コンソーシアム（ERAC）の包括的かつ詳細な分析を報告する。ERACのリグノセルロース分解能力は，走査型電子顕微鏡，酵素アッセイ，質量分析法によるバガスの脱重合を解析することで確認された．また、16Sシークエンシングに基づく分類学的解析により、群集の濃縮過程が明らかになり、その結果、より多くの種が存在していることが明らかになった。ERACのショットガンメタゲノム配列決定により、41のメタゲノムアセンブルゲノム（MAG）が発見された。予測されたCAZymesの大部分（全体の60％）は、公開データベースの配列と比較して90％以下のアミノ酸同一性を共有していた。さらに、本研究で同定されたクロストリジウムMAGは、ドッケリンモジュールにCAZymesが付加されたscaffoldinドメインとCAZymesを持つコンソーシアムの発達過程でタンパク質を産生することから、新規なセルロース生産微生物であることが明らかになった。リグノセルロースＥＲＡＣは、植物多糖類分解酵素（マルチモーダル特性を有する）、セルロソーム複合体、およびＰＵＬのユニークなセットを表示します。本明細書に記載されているＭＡＧは、植物多糖類分解に特化したルーメン細菌ゲノムの遺伝的内容の拡大を表し、したがって、リグノセルロースベースのバイオリファイナリーに向けて適用するためのバイオ触媒ツールボックス戦略の開発のための貴重なリソースを提供する。

Lignocellulose is one of the most abundant renewable carbon sources, representing an alternative to petroleum for the production of fuel and chemicals. Nonetheless, the lignocellulose saccharification process, to release sugars for downstream applications, is one of the most crucial challenging economic factors. The synergism required among the various carbohydrate-active enzymes (CAZymes) for efficient lignocellulose breakdown is often not satisfactorily achieved with an enzyme mixture from a single strain. To overcome this challenge enrichment strategies can be applied to develop microbial communities with an efficient CAZymes arsenal, incorporating complementary and synergistic properties, to improve lignocellulose deconstruction. We report a comprehensive and deep analysis of an enriched rumen anaerobic consortium (ERAC) established on sugarcane bagasse (SB). The lignocellulolytic abilities of ERAC were confirmed by analyzing the depolymerization of bagasse by scanning electron microscopy, enzymatic assays, and mass spectrometry. Taxonomic analysis based on 16S sequencing elucidated the community enrichment process, which was marked by a higher abundance of and species. Shotgun metagenomic sequencing of ERAC disclosed 41 metagenome-assembled genomes (MAGs), harboring cellulosomes and polysaccharide utilization loci (PULs), along with a high diversity of CAZymes. The majority of the CAZymes predicted (60 % of the total) shared less than 90 % amino acid identity compared to sequences found in public databases. Additionally, a clostridial MAG identified in this study produces proteins during consortia development with scaffoldin domains and CAZymes appended to dockerin modules, thus representing a novel cellulosome-producing microorganism. The lignocellulolytic ERAC displays a unique set of plant polysaccharide degrading enzymes (with multimodular characteristics), cellulosomal complexes, and PULs. The MAGs described herein represent an expansion of the genetic content of rumen bacterial genomes dedicated to plant polysaccharides degradation, therefore providing a valuable resource for the development of biocatalytic toolbox strategies to be applied towards lignocellulose-based biorefineries.

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