Genomic Evaluation of Thermoanaerobacter spp. for the Construction of Designer Co-Cultures to Improve Lignocellulosic Biofuel Production
- 作者
- Tobin J. Verbeke, Xiangli Zhang, Bernard Henrissat, Vic Spicer, Thomas Rydzak, Oleg V. Krokhin, Brian Fristensky, David B. Levin, Richard Sparling
- 单位
- Department of Microbiology, University of Manitoba; Department of Plant Science, University of Manitoba; Centre national de la recherche scientifique, Aix-Marseille Université; Department of Physics & Astronomy, University of Manitoba; Department of Internal Medicine & Manitoba Centre for Proteomics and Systems Biology, University of Manitoba; Biosystems Engineering, University of Manitoba
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0059362
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估Thermoanaerobacter属菌株作为Clostridium thermocellum共培养伙伴的基因组潜力，以改善木质纤维素生物燃料生产，特别是乙醇产量和底物利用范围。
研究策略
对11株Thermoanaerobacter（包括新测序的T. thermohydrosulfuricus WC1）进行全基因组比较分析，聚焦木质纤维素水解相关CAZymes、碳水化合物转运系统、糖利用途径、丙酮酸代谢和乙醇合成，并结合蛋白质组学辅助基因注释和系统发育分析。
研究路线图
核心内容
对11株热厌氧杆菌属菌株（含新测序的T. thermohydrosulfuricus WC1）进行全基因组比较分析，评估其作为C. thermocellum共培养伙伴的潜力。WC1基因组2.57 Mb，G+C含量34.35%，编码2,655个基因。基于COG/KO/TIGRFAM功能谱可将该属划分为三个进化枝：Clade 1菌株（如T. brockii subsp. finnii Ako-1在葡萄糖上乙醇产量1.66 mol/mol六碳糖）无胞外木质纤维素水解酶但乙醇比例较高；Clade 2糖利用多样性最高但副产物较多；Clade 3居中且能量代谢途径分歧明显。仅T. italicus Ab9、T. mathrani subsp. mathrani A3和WC1三个菌株编码胞外GH10内切木聚糖酶和GH52 β-木糖苷酶，具备木聚糖胞外水解能力；T. italicus Ab9是唯一含果胶酸裂解酶的菌株。该结果为设计“解纤维素菌产水解酶、热厌氧杆菌产乙醇”的共培养体系提供了基因组依据，其中三个产胞外木聚糖酶的菌株是理想共培养伙伴，而Clade 1菌株可通过与解纤维素菌互补实现高乙醇产率。
创新点
新测序并注释了T. thermohydrosulfuricus WC1基因组；首次基于COG/KO/TIGRFAM功能谱划分Thermoanaerobacter属为三个进化枝；揭示不同进化枝在胞外木质纤维素水解酶能力与乙醇产率之间的权衡；为设计共培养体系提供基因组水平依据。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus WC1 | 木聚糖水解 | xynA | GH10内切木聚糖酶 | 催化 | 胞外酶，模块结构CBM22-CBM22-GH10-CBM9-CBM9-SLH-SLH-SLH |
| Thermoanaerobacter italicus Ab9 | 木聚糖水解 | xynA | GH10内切木聚糖酶 | 催化 | 与WC1同源，另有第二个GH10基因与Caldicellulosiruptor saccharolyticus木聚糖酶相似 |
| Thermoanaerobacter mathrani subsp. mathrani A3 | 木聚糖水解 | xynA | GH10内切木聚糖酶 | 催化 | 与WC1同源，且包含额外GH10基因 |
| Thermoanaerobacter italicus Ab9 | 木聚糖水解 | — | GH52 β-木糖苷酶 | 催化 | 胞外定位 |
| Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus WC1 | 木聚糖水解 | — | GH52 β-木糖苷酶 | 催化 | 胞外定位 |
| Thermoanaerobacter mathrani subsp. mathrani A3 | 木聚糖水解 | — | GH43酶 | 催化 | 推测结合在细胞表面，可能释放戊糖 |
| Thermoanaerobacter brockii subsp. brockii HTD4 | 纤维素糖化 | cglT | GH1 β-葡萄糖苷酶 | 催化 | 胞内；水解β-1,4/β-1,3/β-1,2糖苷键 |
| Thermoanaerobacter ethanolicus JW200 | 木聚糖水解 | xarB | GH3双功能木糖苷酶/阿拉伯糖苷酶 | 催化 | 胞内；orthologs存在于T. italicus Ab9、T. mathrani subsp. mathrani A3和T. thermohydrosulfuricus WC1 |
| Thermoanaerobacter pseudethanolicus 39E | 戊糖磷酸途径 | xylAB | 木糖异构酶/木酮糖激酶 | 催化 | 木糖利用起始酶 |
| Thermoanaerobacter italicus Ab9 | 糖转运 | xylFGH | ABC型木糖转运体 | 转运 | 木糖特异性，与xylAB不共定位 |
| Thermoanaerobacter sp. X514 | 糖转运 | Teth514_0412-Teth514_0414 | PTS转运体（EIICB等） | 转运 | 可能对N-乙酰氨基葡萄糖特异，而非葡萄糖 |
| Thermoanaerobacter pseudethanolicus 39E | 乙醇合成 | adhA, adhB, adhE | 乙醇脱氢酶/乙醛脱氢酶 | 催化 | adhE为双功能；adhA可同时利用NADH和NADPH |
| Thermoanaerobacter spp. | 丙酮酸发酵 | POR | 丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶 | 催化 | 单亚基和多亚基形式均有注释 |
| Thermoanaerobacter spp. | 乳酸合成 | ldh | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 所有菌株各含一个ldh |
| Thermoanaerobacter spp. | 乙酸合成 | pta-ack | 磷酸转乙酰酶/乙酸激酶 | 催化 | 共定位形成操纵子；乙酸生成伴随ATP合成 |
| Thermoanaerobacter spp. | 氢气代谢 | hyd | [NiFe]氢化酶/Fe-only氢化酶 | 能量供给 | 涉及电子平衡和产氢；在Clade 3中能量代谢途径有差异 |
关键发现
- T. thermohydrosulfuricus WC1基因组大小2,573,514 bp，G+C含量34.35%，编码2,655个基因（2,552 CDS）
- 11个基因组大小范围2.20-2.78 Mb，CDS数量2286-2800
- 仅T. italicus Ab9、T. mathrani subsp. mathrani A3和T. thermohydrosulfuricus WC1三个菌株编码胞外GH10内切木聚糖酶和GH52 β-木糖苷酶
- T. italicus Ab9是唯一含有果胶酸裂解酶的菌株
- T. thermohydrosulfuricus WC1和T. siderophilus SR4编码独特的GH66-CBM35-CBM35-GH15酶
- Clade 1菌株（如T. brockii subsp. finnii Ako-1在葡萄糖上乙醇产量1.66 mol/mol六碳糖，乙酸0.26，乳酸0.38，H2 0.25
- T. pseudethanolicus 39E乙醇1.11，乙酸0.38，乳酸0.30）无胞外木质纤维素水解CAZymes但乙醇比例较高
- Clade 2菌株糖利用多样性最高但非乙醇产物较多
- Clade 3（含T. thermohydrosulfuricus WC1）居中且能量代谢途径分歧明显
- 80个酒精脱氢酶基因序列被分为8个簇和4个亚簇。
研究结论
T. italicus Ab9、T. mathrani subsp. mathrani A3和T. thermohydrosulfuricus WC1因具备胞外木聚糖水解酶系，可作为C. thermocellum的潜在共培养伙伴；Clade 1菌株乙醇产率较高但缺乏胞外水解能力，可通过共培养互补；Clade 3菌株在能量代谢上具有独特性，需进一步研究其共培养适用性。