Dinâmica temporal da composição do microbioma e expressão gênica em um consórcio degradador de biomassa lignocelulósica em diferentes estágios de adaptação - Carvalho, Lucas Amoroso Lopes de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
A biomassa lignocelulósica (BLC) representa um recurso renovável com grande potencial para produção de energia sustentável, mas é estruturalmente recalcitrante e difícil de usar. Nesse sentido, os microrganismos do solo podem ser soluções promissoras devido às suas diversas capacidades metabólicas e enzimáticas para lidar com esse tipo de material. Para entender a capacidade de adaptação dos microbiomas naturais ao uso da BLC como fonte exclusiva de carbono, dois estudos complementares foram conduzidos. No primeiro estudo, a metataxonômica do gene 16S rRNA (região V4) foi usada para explorar a dinâmica temporal de um consórcio bacteriano em três pontos de tempo (dia 0, dia 5 e dia 10) nos estágios inicial (duas semanas) e final (vinte semanas) de adaptação. Apesar das mudanças substanciais na composição da comunidade — exemplificadas por abundâncias reduzidas de Caulobacter e Chitinophaga no estágio final — as previsões funcionais indicaram que os traços funcionais eram altamente compartilhados entre os estágios. Enquanto o estágio inicial foi caracterizado por maior instabilidade, mas uma prevalência notável de táxons potencialmente lignocelulolíticos, o estágio tardio revelou maior diversidade taxonômica e funcional, e uma prevalência maior de genes previstos associados ao metabolismo de carboidratos, sugerindo uma comunidade microbiana funcionalmente versátil especializada para a quebra de BLC. Da mesma forma, o segundo estudo empregou uma abordagem metatranscriptômica para capturar a expressão gênica ativa deste consórcio microbiano exposto ao substrato lignocelulósico nos dias 5 e 10 dos estágios inicial e tardio. Uma transição na contribuição relativa no nível do filo foi notada, com Bacteroidota declinando de aproximadamente 18% para menos de 1% do volume total de transcritos, enquanto Bacillota aumentou de aproximadamente 3% para mais de 27% no estágio tardio. Esta mudança foi acompanhada por um aumento proporcional em enzimas ativas em carboidratos, particularmente aquelas que visam a quebra da celulose e hemicelulose. Mais de 30% dos transcritos de lignocelulase detectados foram afiliados ao gênero Paenibacillus (Bacillota), destacando o papel fundamental dessas bactérias na degradação da biomassa. No geral, esses resultados revelam como a exposição prolongada a substratos lignocelulósicos enriquece seletivamente os táxons microbianos e mecanismos enzimáticos que impulsionam a conversão eficiente de biomassa. Esses resultados destacam a plasticidade taxonômica e funcional inerente dos microbiomas do solo, evidenciando a capacidade de reestruturação da comunidade e o aumento da expressão de enzimas degradativas quando expostos a essa pressão seletiva. Assim, essas descobertas podem servir como base para o design de consórcios microbianos otimizados, bioprospecção de novas enzimas e desenvolvimento de estratégias de melhoramento direcionadas para aprimorar o uso industrial do BLC.

Lignocellulosic biomass (LCB) represents a renewable resource with great potential for sustainable energy production, but it is structurally recalcitrant and difficult to use. In this sense, soil microorganisms can be promising solutions due to their diverse metabolic and enzymatic capabilities to deal with this type of material. To understand the adaptation capacity of natural microbiomes to the use of LCB as an exclusive carbon source, two complementary studies were conducted. In the first study, metabarcoding of the 16S rRNA gene (V4 region) was used to explore the temporal dynamics of a bacterial consortium at three time points (day 0, day 5 and day 10) in the early (two weeks) and late (twenty weeks) stages of adaptation. Despite substantial changes in community composition — exemplified by reduced abundances of Caulobacter and Chitinophaga in the final stage — functional predictions indicated that functional traits were highly shared between stages. While the early stage was characterized by greater instability but a notable prevalence of potentially lignocellulolytic taxa, the late stage revealed greater taxonomic and functional diversity, and a higher prevalence of predicted genes associated with carbohydrate metabolism, suggesting a functionally versatile microbial community specialized for LCB breakdown. Similarly, the second study employed a metatranscriptomic approach to capture active gene expression from this same microbial consortium exposed to lignocellulosic substrate on days 5 and 10 of the early and late stages. A transition in relative contribution at the phylum level was noted, with Bacteroidota declining from approximately 18% to less than 1% of the total transcript volume, while Bacillota increased from approximately 3% to over 27% in the late stage. This change was accompanied by a proportional increase in carbohydrate-active enzymes, particularly those targeting cellulose and hemicellulose. More than 30% of the detected lignocellulase transcripts were affiliated with the genus Paenibacillus (Bacillota), highlighting the key role of these bacteria in biomass degradation. Overall, these results reveal how prolonged exposure to lignocellulosic substrates selectively enriches microbial taxa and enzymatic mechanisms that drive efficient biomass conversion. These results highlight the inherent taxonomic and functional plasticity of soil microbiomes, illustrating the capacity for community restructuring and increased expression of essential degradative enzymes when exposed to this selective pressure. Thus, these findings can serve as a basis for the design of optimized microbial consortia, bioprospecting for potent enzymes, and developing targeted breeding strategies to enhance the industrial use of LCB.
Temporal dynamics of microbiome composition and gene expression in a lignocellulosic biomass-degrading consortium at different adaptation stages
Keywords: Degradação biológica; Lignocelulose; Microbiologia ambiental; Sequenciamento de nucleotídeo; Enzimas microbianas