Characterization of novel lignocellulose-degrading enzymes from the porcupine microbiome using synthetic metagenomics
Notice bibliographique
Résumé
Plant cell walls are composed of cellulose, hemicellulose, and lignin, collectively known as lignocellulose. Microorganisms degrade lignocellulose to liberate sugars to meet metabolic demands. Using a metagenomic sequencing approach, we previously demonstrated that the microbiome of the North American porcupine (Erethizon dorsatum) is replete with genes that could encode lignocellulose-degrading enzymes. Here, we report the identification, synthesis and partial characterization of four novel genes from the porcupine microbiome encoding putative lignocellulose-degrading enzymes: β-glucosidase, α-L-arabinofuranosidase, β-xylosidase, and endo-1,4-β-xylanase. These genes were identified via conserved catalytic domains associated with cellulose- and hemicellulose-degradation. Phylogenetic trees were created for each of these putative enzymes to depict genetic relatedness to known enzymes. Candidate genes were synthesized and cloned into plasmid expression vectors for inducible protein expression and secretion. The putative β-glucosidase fusion protein was efficiently secreted but did not permit Escherichia coli (E. coli) to use cellobiose as a sole carbon source, nor did the affinity purified enzyme cleave p-Nitrophenyl β-D-glucopyranoside (p-NPG) substrate in vitro over a range of physiological pH levels (pH 5-7). The putative hemicellulose-degrading β-xylosidase and α-L-arabinofuranosidase enzymes also lacked in vitro enzyme activity, but the affinity purified endo-1,4-β-xylanase protein cleaved a 6-chloro-4-methylumbelliferyl xylobioside substrate in acidic and neutral conditions, with maximal activity at pH 7. At this optimal pH, KM, Vmax, and kcat were determined to be 32.005 ± 4.72 μM, 1.16x10-5 ± 3.55x10-7 M/s, and 94.72 s-1, respectively. Thus, our pipeline enabled successful identification and characterization of a novel hemicellulose-degrading enzyme from the porcupine microbiome. Progress towards the goal of introducing a complete lignocellulose-degradation pathway into E. coli will be accelerated by combining synthetic metagenomic approaches with functional metagenomic library screening, which can identify novel enzymes unrelated to those found in available databases.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».