Screening soil metagenomic libraries searching for degrading enzymes useful for the production of biofuels and value added chemicals

Abstract

Value-added chemicals and fuels produced via the biotransformation of lignocellulosic biomass resources like crop biomass waste are necessary to reduce our dependence on the non-renewable conversion of raw materials. Moreover, these alternative energy and chemical sources are crucial in order to achieve sustainability, and decrease the adverse impact of these activities on the environment. For instance, an alternative, renewable source of energy is the bio-fuel ethanol. Even though sugar ethanol production has been demonstrated to work in countries like Brazil, achieving a cost-effective, commercial-scale cellulosic bio-fuel industry requires new technologies to lower the price of bio-transforming these materials into bio-fuels. In addition, efforts to develop these technologies should focus on raw materials that are not committed to other primary needs, such as food crops. Therefore, there is a high interest in the use of low-value materials, such as waste crop biomass, switch grass, wood chips and other sources of lignocellulose and hemicelluloses to convert them into useful products such as biofuels. Challenges with the utilization on certain raw materials, like coffee crop waste, reside on the presence of toxic compounds like caffeine that represent a limiting step in the extraction of their energy potential confined in their lignocellulose. Biotechnological research is key in accelerating the discovery of new genes with the “information” that enables microorganisms to produce yet unknown catalytically active enzymes that can modify these raw materials when using them as carbon source and transforming them into high-value products. Out of the total microbial diversity that exists in different ecosystems in our planet, only 1% of those microorganisms are able to grow under known laboratory techniques. This means that 99% of those microorganisms with possible new genes encoding for different abilities remain undiscovered. This is where the importance of metagenomics relies. After screening a group of Metagenomic Libraries constructed from samples of Rainy and Dry Forest soil of Puerto Rico and from Hyper-saline Microbial Mats from Puerto Rico searching for genes that encodes for activities that enable a host to degrade lignin, cellulose, tween and caffeine as carbon source; we found a list of interesting genes. Some of them are related to aminoacid biosynthesis and degradation while others have more specific activities. These genes can be used for the production of biofuels or value added chemicals. We found a putative glycosidase with possible activity over saponins and possible lipase activity, we found genes related to the diaminopimelate pathway that possibly are involved in aminoacid metabolism, a LysR Hdfr gene that possibly relates to aminoacid metabolism, flagellum development and pigment production, and a putative Ketol acid reductoisomerase with possible activity over 2-acetolactate, related to aminoacid metabolism. These results prove that the metagenomic approach is useful to isolate 3 genes from different environments and from cultivable and uncultivable microorganism. Finally, the data support the use of metagenomics to find activities that can be applied to processes for the generation and production of value added chemicals and biofuels.

Químicos con valor añadido y combustibles producidos por medio de la transformación de fuentes de biomasa con contenido lignoceluloso como lo son desperdicios de cosechas son necesarios para reducir nuestra dependencia de la conversión no renovable de materia prima. Más aun, estas fuentes químicas y energéticas alternas son cruciales para poder alcanzar sostenibilidad, y disminuir los impactos adversos de estas actividades sobre el medio ambiente. Por ejemplo, una fuente de energía alterna y renovable es el biocombustible etanol. A pesar que se ha demostrado que funciona la producción de etanol basada en azúcar en países como Brasil, alcanzar la comercialización de una industria costo efectiva para la producción de combustibles basados en celulosa; requiere nuevas tecnologías para bajar el costo de biotransformar estos materiales en bio combustibles. Adicionalmente, esfuerzos dirigidos para desarrollar estas tecnologías deben ser enfocados en utilizar materia prima que no esté comprometida con otras necesidades primarias, como lo están las cosechas de alimentos. Por consiguiente, hay un alto interés en el uso de materiales de bajo valor, como lo son la biomasa de desperdicios de cosechas, hierbas, astillas de madera y otras fuentes de lignina, celulosa y hemicelulosa para convertirlas en productos útiles como bio combustibles. Dificultades con la utilización de ciertas materias primas, como los desechos de la cosecha del café, residen en la presencia de compuestos tóxicos como la cafeína que representan un paso limitante en la extracción de su potencial energético confinado en sus lignocelulosas. La investigación biotecnológica es clave en acelerar el descubrimiento de genes nuevos con la “información” que le permite al microorganismo el producir enzimas catalíticamente activas aun desconocidas que puedan modificar estas materias primas cuando se las usa como fuentes de carbono y así poder transformarlas en productos de alto valor. Del total de la diversidad microbiana que existe en diferentes ecosistemas de nuestro planeta, solo el 1% de esos microorganismos son capaces de crecer bajo técnicas de laboratorio conocidas. Esto significa que el 99% de esos microorganismos con posiblemente nuevos genes que codifican para diferentes habilidades permanecen sin ser descubiertos. Es allí donde radica la importancia de la metagenómica. Después de investigar usando un grupo de Bibliotecas Metagenómicas construidas de muestras de suelo provenientes de bosques húmedos y secos de Puerto Rico y de tapetes microbiales híper-salinos de Puerto Rico buscando genes que codificaran para actividades que le permitieran a la célula huésped degradar lignina, celulosa, tween y cafeína como fuente de carbono; encontramos una lista de genes interesantes. Algunos de ellos están relacionados a biosynthesis y degradación de aminoácidos mientras otros tienen actividades más específicas. Estos genes pueden ser usados para la producción de biocombustibles o compuestos de valor 5 adquirido. Encontramos una posible glycosidase con posible actividad sobre saponinas y posible actividad de lipasa, genes relacionados a la ruta de diaminopimelato que posiblemente estén envueltos en metabolismo de aminoácidos, un gen conocido como LysR Hdfr que posiblemente se relacione a metabolismo de aminoácidos, desarrollo de flagelo y producción de pigmento y una Ketol acid reductoisomerasa con posible actividad sobre 2-acetolactato, relacionado a metabolismo de aminoácidos. Estos resultados prueban que el uso de metagenómica es útil para aislar genes de medios ambientes diferentes y de microorganismos cultivables y no cultivables. Finalmente, los datos apoyan el uso metagenómica para encontrar actividades que puedan ser aplicadas a procesos para la generación y producción de compuestos de valor adquirido y biocombustibles.