Giao phối tình dục của nấm nhiệt độ cao Myceliophthora heterothallica cải thiện quá trình phân hủy enzym của bã củ cải đường

Biotechnology for Biofuels - Tập 9 - Trang 1-14 - 2016
Maria Victoria Aguilar-Pontes1,2, Miaomiao Zhou1,2, Sjors van der Horst1,2, Bart Theelen3, Ronald P. de Vries1,2, Joost van den Brink1,2
1Fungal Physiology, CBS-KNAW Fungal Biodiversity Centre, Utrecht, The Netherlands
2Fungal Molecular Physiology, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands
3Yeast and Basidiomycete Research, CBS-KNAW Fungal Biodiversity Centre, Utrecht, The Netherlands

Tóm tắt

Quá trình phân hủy enzym của sinh khối thực vật yêu cầu một hỗn hợp phức tạp của nhiều loại enzyme khác nhau. Giống như hầu hết các loại nấm, các loài Myceliophthora nhiệt độ cao cũng có một bộ enzyme lớn nhắm vào các liên kết khác nhau trong polysaccharid thực vật. Phần lớn những enzyme này chưa được phân tích chức năng và vai trò của chúng trong việc phân hủy sinh khối thực vật vẫn chưa được biết đến. Thách thức công nghệ sinh học là lựa chọn bộ enzyme phù hợp để phân hủy hiệu quả một loại sinh khối nhất định. Nghiên cứu này mô tả một chiến lược sử dụng giao phối tình dục và sàng lọc với nấm nhiệt độ cao Myceliophthora heterothallica để xác định các enzyme cụ thể liên quan đến việc cải thiện khả năng saccharification của bã củ cải đường. Hai chủng M. heterothallica có kiểu gen đa dạng là CBS 203.75 và CBS 663.74 được sử dụng để tạo ra các thế hệ con có khả năng sinh trưởng tốt hơn trên bã củ cải đường. Một thế hệ con, được đặt tên là SBP.F1.2.11, có kiểu gen khác biệt so với các chủng cha mẹ và có hoạt động saccharification cải thiện sau khi phát triển trên 3% bã củ cải đường. Hoạt động SBM saccharification được cải thiện không phải do sự thay đổi hoạt động của các (hemi-)cellulase chính. Phân tích exo-proteome của thế hệ con và các chủng cha mẹ sau 7 ngày phát triển trên bã củ cải đường cho thấy chỉ có 17 trong 133 enzyme CAZy tiết ra có độ phong phú cao hơn ở thế hệ con SBP.F1.2.11. Đặc biệt, một enzyme thuộc họ carbohydrate esterase 5 (CE5) có hàm lượng cao hơn ở SBP.F1.2.11. Enzyme CE5-CBM1 này, được đặt tên là Axe1, có liên quan đến các acetyl xylan esterase về mặt phát sinh loài. Đặc tính hóa sinh của Axe1 xác nhận hoạt động de-acetylation với hoạt động tối ưu ở 75–85 °C và pH 5.5–6.0. Việc bổ sung Axe1 vào bộ enzyme CBS 203.75 đã cải thiện việc giải phóng xylose và glucose từ bã củ cải đường. Nghiên cứu này đã xác định các enzyme có lợi cho việc saccharification bã củ cải đường bằng cách chọn các thế hệ con có khả năng sinh trưởng tốt hơn trên nền tảng cụ thể này. Quá trình saccharification của bã củ cải đường được cải thiện bằng cách bổ sung hỗn hợp enzyme với CE5-CBM1 acetyl xylan esterase chưa được đặc trưng trước đó. Điều này cho thấy rằng giao phối tình dục và chọn lọc M. heterothallica là chiến lược thành công để cải thiện thành phần hỗn hợp enzyme cho việc phân hủy hiệu quả sinh khối thực vật.

Từ khóa

#Myceliophthora heterothallica #enzyme #saccharification #bã củ cải đường #de-acetylation #carbohydrate esterase

Tài liệu tham khảo

Rosgaard L, Pedersen S, Langston J, Akerhielm D, Cherry JR, Meyer AS. Evaluation of minimal Trichoderma reesei cellulase mixtures on differently pretreated Barley straw substrates. Biotechnol Prog. 2007;23:1270–6. Eibinger M, Ganner T, Bubner P, Rošker S, Kracher D, Haltrich D, Ludwig R, Plank H, Nidetzky B. Cellulose surface degradation by a lytic polysaccharide monooxygenase and its effect on cellulase hydrolytic efficiency. J Biol Chem. 2014;289:35929–38. Gourlay K, Hu J, Arantes V, Andberg M, Saloheimo M, Penttilä M, Saddler J. Swollenin aids in the amorphogenesis step during the enzymatic hydrolysis of pretreated biomass. Bioresour Technol. 2013;142:498–503. Várnai A, Costa TH, Faulds CB, Milagres AM, Siika-Aho M, Ferraz A. Effects of enzymatic removal of plant cell wall acylation (acetylation, p-coumaroylation, and feruloylation) on accessibility of cellulose and xylan in natural (non-pretreated) sugar cane fractions. Biotechnol Biofuels. 2014;7:153. Kudanga T, Le Roes-Hill M. Laccase applications in biofuels production: current status and future prospects. Appl Microbiol Biotechnol. 2014;98:6525–42. Viikari L, Alapuranen M, Puranen T, Vehmaanperä J, Siika-Aho M. Biofuels, vol. 108. Berlin: Springer; 2007. Zhang J, Pakarinen A, Viikari L. Synergy between cellulases and pectinases in the hydrolysis of hemp. Bioresour Technol. 2013;129:302–7. Banerjee G, Car S, Scott-Craig JS, Borrusch MS, Walton JD. Rapid optimization of enzyme mixtures for deconstruction of diverse pretreatment/biomass feedstock combinations. Biotechnol Biofuels. 2010;3:22. Van den Brink J, van Muiswinkel GCJ, Theelen B, Hinz SWA, de Vries RP. Efficient plant biomass degradation by thermophilic fungus Myceliophthora heterothallica. Appl Environ Microbiol. 2013;79:1316–24. Berka RM, Grigoriev IV, Otillar R, Salamov A, Grimwood J, Reid I, Ishmael N, John T, Darmond C, Moisan M-C, Henrissat B, Coutinho PM, Lombard V, Natvig DO, Lindquist E, Schmutz J, Lucas S, Harris P, Powlowski J, Bellemare A, Taylor D, Butler G, de Vries RP, Allijn IE, van den Brink J, Ushinsky S, Storms R, Powell AJ, Paulsen IT, Elbourne LDH, et al. Comparative genomic analysis of the thermophilic biomass-degrading fungi Myceliophthora thermophila and Thielavia terrestris. Nat Biotechnol. 2011;29:922–7. Karnaouri A, Topakas E, Antonopoulou I, Christakopoulos P. Genomic insights into the fungal lignocellulolytic system of Myceliophthora thermophila. Front Microbiol. 2014;5:281. Kolbusz MA, Di Falco M, Ishmael N, Marqueteau S, Moisan M-C, da Silva Baptista C, Powlowski J. Transcriptome and exoproteome analysis of utilization of plant-derived biomass by Myceliophthora thermophila. Fungal Genet Biol. 2014;72:10–20. Von Klopotek A. Thielavia heterothallica spec. nov. (Abb. 1) Status conidialis: Chrysosporium thermophilum (Apinis) von Klopotek. Arch Microbiol. 1976;107:223–4. Van den Brink J, Samson RA, Hagen F, Boekhout T, de Vries RP. Phylogeny of the industrial relevant, thermophilic genera Myceliophthora and Corynascus. Fungal Divers. 2012;52:10. Böhm J, Hoff B, O’Gorman CM, Wolfers S, Klix V, Binger D, Zadra I, Kürnsteiner H, Pöggeler S, Dyer PS, Kück U. Sexual reproduction and mating-type-mediated strain development in the penicillin-producing fungus Penicillium chrysogenum. Proc Natl Acad Sci USA. 2013;110:1476–81. Chuang Y-C, Li W-C, Chen C-L, Hsu PW-C, Tung S-Y, Kuo H-C, Schmoll M, Wang T-F. Trichoderma reesei meiosis generates segmentally aneuploid progeny with higher xylanase-producing capability. Biotechnol Biofuels. 2015;8:30. White S, McIntyre M, Berry DR, McNeil B. The autolysis of industrial filamentous fungi. Crit Rev Biotechnol. 2002;22:1–14. O’Donnell D, Wang L, Xu J, Ridgway D, Gu T, Moo-Young M. Enhanced heterologous protein production in Aspergillus niger through pH control of extracellular protease activity. Biochem Eng J. 2001;8:187–93. Konishi T, Kotake T, Soraya D, Matsuoka K, Koyama T, Kaneko S, Igarashi K, Samejima M, Tsumuraya Y. Properties of family 79 beta-glucuronidases that hydrolyze beta-glucuronosyl and 4-O-methyl-beta-glucuronosyl residues of arabinogalactan-protein. Carbohydr Res. 2008;343:1191–201. Koutaniemi S, van Gool MP, Juvonen M, Jokela J, Hinz SW, Schols HA, Tenkanen M. Distinct roles of carbohydrate esterase family CE16 acetyl esterases and polymer-acting acetyl xylan esterases in xylan deacetylation. J Biotechnol. 2013;168:684–92. Hasper AA, Dekkers E, van Mil M, van de Vondervoort PJI, de Graaff LH. EglC, a new endoglucanase from Aspergillus niger with major activity towards xyloglucan. Appl Environ Microbiol. 2002;68:1556–60. Van den Brink J, de Vries RP. Fungal enzyme sets for plant polysaccharide degradation. Appl Microbiol Biotechnol. 2011;91:1477–92. Van Gool MP, van Muiswinkel GCJ, Hinz SWA, Schols HA, Sinitsyn AP, Gruppen H. Two GH10 endo-xylanases from Myceliophthora thermophila C1 with and without cellulose binding module act differently towards soluble and insoluble xylans. Bioresour Technol. 2012;119:123–32. Neumüller KG, Streekstra H, Gruppen H, Schols HA. Trichoderma longibrachiatum acetyl xylan esterase 1 enhances hemicellulolytic preparations to degrade corn silage polysaccharides. Bioresour Technol. 2014;163:64–73. Inoue H, Kishishita S, Kumagai A, Kataoka M, Fujii T, Ishikawa K. Contribution of a family 1 carbohydrate-binding module in thermostable glycoside hydrolase 10 xylanase from Talaromyces cellulolyticus toward synergistic enzymatic hydrolysis of lignocellulose. Biotechnol Biofuels. 2015;8:77. Pouvreau L, Jonathan MC, Kabel MA, Hinz SWA, Gruppen H, Schols HA. Characterization and mode of action of two acetyl xylan esterases from Chrysosporium lucknowense C1 active towards acetylated xylans. Enzyme Microb Technol. 2011;49:312–20. Margolles-Clark E, Tenkanen M, Söderlund H, Penttilä M. Acetyl xylan esterase from Trichoderma reesei contains an active-site serine residue and a cellulose-binding domain. Eur J Biochem. 1996;237:553–60. Visser H, Joosten V, Punt PJ, Gusakov AV, Olson PT, Joosten R, Bartels J, Visser J, Sinitsyn AP, Emalfarb MA, Verdoes JC, Wery J. Development of a mature fungal technology and production platform for industrial enzymes based on a Myceliophthora thermophila isolate, previously known as Chrysosporium lucknowense C1. Ind Biotechnol. 2011;7:9. Hakulinen N, Tenkanen M, Rouvinen J. Three-dimensional structure of the catalytic core of acetylxylan esterase from Trichoderma reesei: insights into the deacetylation mechanism. J Struct Biol. 2000;132:180–90. Colombres M, Garate JA, Lagos CF, Araya-Secchi R, Norambuena P, Quiroz S, Larrondo L, Pérez-Acle T, Eyzaguirre J. An eleven amino acid residue deletion expands the substrate specificity of acetyl xylan esterase II (AXE II) from Penicillium purpurogenum. J Comput Aided Mol Des. 2008;22:19–28. Swart K, Debets AJ, Bos CJ, Slakhorst M, Holub EF, Hoekstra RF. Genetic analysis in the asexual fungus Aspergillus niger. Acta Biol Hung. 2001;52:335–43. Seidl V, Seibel C, Kubicek CP, Schmoll M. Sexual development in the industrial workhorse Trichoderma reesei. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:13909–14. De Vries RP, Burgers K, van de Vondervoort PJI, Frisvad JC, Samson RA, Visser J. A new black Aspergillus species, A. vadensis, is a promising host for homologous and heterologous protein production. Appl Environ Microbiol. 2004;70:3954–9. Boekhout T, Theelen B, Diaz M, Fell JW, Hop WC, Abeln EC, Dromer F, Meyer W. Hybrid genotypes in the pathogenic yeast Cryptococcus neoformans. Microbiology. 2001;147:891–907. Stanke M, Steinkamp R, Waack S, Morgenstern B. AUGUSTUS: a web server for gene finding in eukaryotes. Nucleic Acids Res. 2004;32:W309–12. Lombard V, Bernard T, Rancurel C, Brumer H, Coutinho PM, Henrissat B. A hierarchical classification of polysaccharide lyases for glycogenomics. Biochem J. 2010;432:437–44. Unwin RD, Griffiths JR, Whetton AD. Simultaneous analysis of relative protein expression levels across multiple samples using iTRAQ isobaric tags with 2D nano LC-MS/MS. Nat Protoc. 2010;5:1574–82. Wang J, Mei H, Zheng C, Qian H, Cui C, Fu Y, Su J, Liu Z, Yu Z, He J. The metabolic regulation of sporulation and parasporal crystal formation in Bacillus thuringiensis revealed by transcriptomics and proteomics. Mol Cell Proteomics. 2013;12:1363–76. Vizcaíno JA, Deutsch EW, Wang R, Csordas A, Reisinger F, Ríos D, Dianes JA, Sun Z, Farrah T, Bandeira N, Binz PA, Xenarios I, Eisenacher M, Mayer G, Gatto L, Campos A, Chalkley RJ, Kraus HJ, Albar JP, Martinez-Bartolomé S, Apweiler R, Omenn GS, Martens L, Jones AR, Hermjakob H. ProteomeXchange provides globally co-ordinated proteomics data submission and dissemination. Nature Biotechnol. 2014;30:223–6. Katoh K, Misawa K, Kuma K, Miyata T. MAFFT: a novel method for rapid multiple sequence alignment based on fast Fourier transform. Nucleic Acids Res. 2002;30:3059–66. Verdoes JC, Punt PJ, Burlingame AL, Pynnonen CM, Olson PT, Wery J, Visser H, Emalfarb MA, Visser J. Chrysosporium lucknowense protein production system. WO/2010/107303. 2010. Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S. MEGA4: molecular evolutionary genetics analysis (MEGA) software version 4.0. Mol Biol Evol. 2007;24:1596–9. Saitou N, Nei M. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol Biol Evol. 1987;4:406–25.