Plant biomass-degrading microbial consortia:Ecology, lignocellulolytic machinery and biotechnological potential

De productie van hernieuwbare ‘bio-based’ verbindingen uit suikers verkregen uit plantaardige biomassa is de afgelopen tien jaar sterk toegenomen. Een belangrijke drempel in dergelijke processen is dikwijls de lage efficiëntie van versuikering, veroorzaakt door de recalcitrante aard van de lignocellulose matrix. Microbiële consortia zijn wel voorgesteld als aantrekkelijke alternatieven voor een efficiëntere afbraak van deze materialen. In deze studie beschrijven wij verschillende microbiële consortia die op tarwestro, maïsstro en switchgrass werden gekweekt als enige bronnen van koolstof en energie. Met name zijn metataxonomische (gestoeld op 16S rRNA gen/ ITS1 basevolgordebepalingen) en metagenomische analyses (via DNA basevolgordebepaling en screening van bibliotheken) uitgevoerd, waardoor gegevens over de gekweekte microbiële consortia werden verkregen. In deze consortia werden leden van de Enterobacteriales, Pseudomonadales, Flavobacteriales en Sphingobacteriales als dominante soorten waargenomen. Daarnaast zijn de totale uitgeschieden eiwitten onderzocht via vloeistofchromatografie-tandem massaspectrometrie, waarna de enzymatische activiteiten geëvalueerd werden met behulp van een nieuwe generatie van chromogene substraten. De ecofysiologie van de systemen kan worden gekenmerkt als verrassend complex en ingewikkeld. Bijvoorbeeld waren de consortiumsamenstellingen complex, waarbij ook is aangetoond dat de verschillende consortiumleden invloed hadden op het lignocellulose-afbraakproces. Het enzymatische complement van de consortia bleek uitgescheiden xylanasen, glucosidases, arabinofuranosidasen, galactosidasen, mannosidases en fucosidases te bevatten. Een analyse van de metagenomische bibliotheken onthulde de aanwezigheid van verschillende genen voor nieuwe hitte-alkali-tolerante enzymen. De verkregen metagenomen en metasecretomen vormen een waardevolle bron voor enzymcocktails die bruikbaar zijn in de processen voor versuikering van lignocellulose.The production of renewable bio-based compounds from plant biomass-derived sugars has increased exponentially in the last decade. In such processes, a key bottleneck is the often low saccharification efficiency, which is due to the recalcitrant nature of the plant lignocellulosic matter. The use of microbial consortia has been proposed as an attractive alternative for a more efficient degradation of these materials. Here, we report an in-depth characterization of different soil-derived microbial consortia that were cultivated on wheat straw, corn stover and switchgrass as sole sources of carbon and energy. Metataxonomic (16S rRNA / ITS1 amplicon-sequencing) and metagenomic (total DNA sequencing and screening of libraries) analyses were performed, yielding in-depth data on the microbial consortia that were bred. In these selected communities we observed the prevalence of particular members of the Enterobacteriales, Pseudomonadales, Flavobacteriales and Sphingobacteriales. Moreover, the collective secreted proteins were examined by liquid chromatography–tandem mass spectrometry and the enzymatic activities evaluated using a new generation of chromogenic substrates. Overall, the ecophysiology of the systems was characterized as being surprisingly complex and intricate. For example, the consortium structures remained complex and several consortium members had impact on the lignocellulose degradation process. The enzymatic potential of these consortia was found to encompass secreted xylanases, glucosidases, arabinofuranosidases, galactosidases, mannosidases and fucosidases. Moreover, an analysis of the metagenomic libraries unveiled several genes for novel thermo-alkaline-tolerant enzymes. The metagenomes and metasecretomes produced constitute valuable sources for the design of enzyme cocktails useful in the saccharification of lignocellulosic materials