Unravelling the diversity, metabolic and biotechnological potential of a lignocellulose-decomposing bacterial community by genomic-centered metagenomics

Abstract

Os processos de produção de biocombustíveis de segunda geração estão em alta demanda. Na natureza, a lignocelulose pode ser rapidamente desconstruída. A eficácia do fenômeno na natureza pode ser devido à divisão de trabalho bioquímico efetuado nas comunidades bacterianas. Aqui, projetamos um experimento para coletar e enriquecer seletivamente um consórcio bacteriano obtido do solo e sobras de palha seca da cana-de-açúcar de uma usina de cana-de-açúcar. Procedeu-se ao sequenciamento de duas amostras provenientes da 2ª e 20ª semanas (fração bacteriana anexada as fibras da cana-de-açucar e a fração bacteriana livre disposta no meio de cultivo), visando definir a dinâmica composicional do consórcio, sua composição metagenômica, espécias, abundâncias e potencial metabólico em relação às suas capacidades desconstrutoras de lignocelulose e de controlar ecofisiologicamente a dinâmica da comunidade. Fomos capazes de separar 52 genomas das leituras metagenômicas, apresentando alta completude e baixa contaminação, estimando a abundância relativa de cada espécie representada por tais genomas montados a partir dos dados metagenômicos. Observamos a dinâmica do consórcio, em que ~46% das espécies não mostrou nenhuma modificação relevante em sua abundância. Três espécies encontradas na 2ª semana estavam mormente ausentes na 20ª semana, enquanto todas as espécies altamente abundantes encontradas no início mantiveram alta abundância na 20ª semana. Também, foi possível reconstruir o metabolismo de cada genoma. Encontramos sequências relacionadas à desconstrução da lignina na maioria dos genomas, e muitas das espécies mais abundantes em todas as amostras e frações são relacionadas a gêneros de organismos conhecidos por serem capazes de desconstruir a lignina. Propusemos um modelo metabólico qualitativo que nos permite ver as diferentes potencialidades cada genoma e grupo taxonômico no que diz respeito à desconstrução de polímeros sacarídicos e lignina, e também esclarecer a divisão de trabalho bioquímico que este consórcio pode utilizar para desconstruir a lignocelulose. Estas informações poderão auxiliar na estruturação de decisões para esforços de engenharia e biologia sintética visando o aprimoramento ou seleção de partes do consórcio para a execução de etapas específicas na desconstrução de biomassa lignocelulósica.

Processes for the production of second-generation biofuels are in high demand. In nature, lignocellulose can be rapidly deconstructed. The effectiveness of the phenomenon in nature may be due to the division of biochemical labor effectuated in bacterial communities. We designed an experiment to collect and selectively enrich a bacterial consortium obtained from soil and sugarcane dry straw leftover from a sugarcane milling plant. This consortium was cultivated for 20 weeks in aerobic conditions, where the only source of carbon was sugarcane lignocellulosic biomass. We proceeded to sequence three samples from the 2 nd and 20 th weeks, Attached and Free fraction, to define the consortia's compositional dynamics, metagenomic composition, species, abundances, and metabolic potentials capacities deconstruct the lignocellulose and to control its dynamics ecophysiologically. We separated 52 genomes from the metagenomic reads with high completeness and low contamination, estimating each species' relative abundance represented by such metagenome-assembled genomes. We observed the consortium dynamics, in which ~46% of species showed no relevant modification in their abundance. Three species found in the 2 nd week were mostly absent in the 20 th week, while all the highly abundant species found in the beginning kept such high abundance in the 20 th week. Also, it was possible to reconstruct the metabolism of each genome. We found sequences related to lignin deconstruction in most genomes. Many of the most abundant species in all samples and fractions are genera-related to organisms known to deconstruct Lignin. We proposed a qualitative metabolic model allowing us to see each genome and taxonomic group's different potentialities regarding the deconstruction of saccharidic polymers and lignin and clarifying the division of biochemical labor this consortium may utilize to deconstruct the lignocellulose. This information helps structure decisions for engineering and synthetic biology efforts to improve or select parts of the consortium to execute specific steps in the deconstruction of lignocellulosic biomass.