Discovering novel carbohydrate-active enzymes in the cellulosome of anaerobic bacteria

Abstract

Carbohydrate-active enzymes (CAZymes) include a range of enzymes that, in nature, make, break or modify glycosidic bonds. CAZymes act on highly recalcitrant polysaccharides, such as cellulose and hemicellulose, and often exhibit a modular architecture including catalytic domains fused through flexible linker regions to non-catalytic domains such as carbohydrate-binding modules (CBMs). In some anaerobic bacteria these enzymes can associate in high molecular mass multi-enzyme complexes termed cellulosomes. Cellulosomal organisms express a vast repertoire of plant cell wall degrading enzymes and constitute a promising source for the discovery of novel CAZymes. Presently, an exponential accumulation of genomic and metagenomic information is observed while the identification of the biological role of both genes and proteins of unknown function is sorely lacking. In addition, for most of the known CAZymes, structure and/or biochemical characterization is missing. In this study we have developed innovative approaches for the discovery of novel CAZymes in cellulosomal bacteria and provide a detailed biochemical characterization of some of those enzymes. A high-throughput platform was designed for cloning, expression and production of recombinant cellulosomal proteins in Escherichia coli, aiming at looking for novel cellulosomal CAZymes encoded in the genomes of Clostridium thermocellum and Ruminococcus flavefaciens. As a result, a series of novel prokaryotic expression vectors (pHTP) were constructed to allow ligation-independent cloning with high levels of soluble recombinant protein production. In addition, to allow total automation of the procedure, both novel cell culture media and protein purification methods have been established. The platform allowed the production of 184 cellulosomal proteins of unknown function that after the implementation of an enzyme discovery screen lead to the discovery of a novel family of α-Larabinofuranosidases. In order to achieve recombinant soluble expression in E. coli, novel fusion tags were designed and incorporated into pHTP-derivatives. Both Rf1 and Rf47 tags, derived from cellulosomal components, were shown to display a high capacity to enhance protein solubility, as fusion proteins containing both these tags were expressed at high levels and in the soluble form in E. coli. CBMs were confirmed to affect the catalytic activity of appended CAZymes, as it was illustrated by the CBM32 of CtMan5A. This work revealed that members of family 35 CBM have the capacity to bind β-mannose-containing polymers. The biochemical characterization of PL1A, PL1B and PL9 reported here describes the pectinolytic activity expressed by C. thermocellum cellulosome. These enzymes are appended to CBMs that display considerable ligand promiscuity. The application of β- glucanases in animal feed supplementation was tested either in the free state or while associated in mini-cellulosomes. This study revealed that β-1,3-1,4-glucanases and not β-1,4-glucanases are necessary to improve the nutritive value of barley-based diets for broilers. In addition, it was shown that mini-cellulosomes designed to improve the efficacy of exogenous enzymes used for feed supplementation require an effective mechanism to protect linker regions from proteolytic cleavage.

RESUMO - Descoberta de novas enzimas celulossomais de bactérias anaeróbias que degradam hidratos de carbono - As enzimas que na natureza degradam os hidratos de carbono (CAZymes) são capazes de construir, quebrar ou modificar ligações glicosídicas. Estas enzimas actuam sobre polissacáridos complexos e recalcitrantes, como a celulose e a hemicelulose, e apresentam geralmente uma estrutura modular, podendo incluir módulos catalíticos fundidos através de sequências de ligação a domínios não catalíticos, sendo os mais comuns os módulos de ligação a hidratos de carbono (CBMs). Em algumas bactérias anaeróbias, estas enzimas podem associar-se em complexos multi-enzimáticos de elevada massa molecular designados de celulossomas. Os organismos que produzem estes complexos apresentam um vasto repertório de enzimas envolvidas na degradação da parede celular vegetal e constituem um bom ponto de partida para a descoberta de novas CAZymes. Actualmente, verifica-se uma crescente acumulação de informação genómica e metagenómica a um ritmo superior à capacidade de identificação da função biológica de uma plêiade de genes e proteínas de funções desconhecidas. Para além disso, para a maioria das CAZymes já conhecidas, não foi ainda efectuada uma caracterização estrutural e/ou bioquímica. Neste estudo foram desenvolvidas metodologias inovadoras para a descoberta de novas CAZymes em bactérias celulossomais, bem como se procedeu a uma caracterização bioquímica detalhada para algumas destas enzimas. Desenvolveu-se uma plataforma de alta capacidade para a clonagem, expressão e produção de proteínas celulossomais recombinantes em Escherichia coli, tendo como objectivo descobrir novas CAZymes codificadas nos genomas de Clostridium thermocellum e Ruminococcus flavefaciens. Como resultado, foi construída uma nova série de vectores de expressão (pHTP) a fim de sustentarem um método de clonagem independente de ligação. Para possibilitar a total automatização do processo foram desenvolvidos novos meios de cultura celulares e métodos de purificação de proteínas adaptados a um esquema de produção de alta capacidade. A pesquisa de novas enzimas nos módulos celulossomais de função desconhecida possibilitou a descoberta de uma nova α-L-arabinofuranosidase em R. flavefaciens, que se constitui como a enzima fundadora de uma nova família de CAZymes. A fim de potenciar a solubilidade de proteínas recombinantes em E. coli, foram desenhadas novas tags de fusão, as quais foram incorporadas em vectores derivados do pHTP. Tanto as tags Rf1 como Rf47, derivadas de componentes celulossomais, mostraram possuir uma capacidade elevada para potenciar a solubilidade de proteínas, uma vez que as proteínas de fusão contendo quer uma quer outra destas tags foram produzidas na forma solúvel em níveis mais elevados do que com parceiros de fusão anteriormente descritos. Confirmou-se que os CBMs afectam a actividade catalítica das CAZymes associadas, tal como ilustrado pelo CBM32 da CtMan5A. Este trabalho forneceu indicações de que os CBMs membros da família 35 têm a capacidade de se ligarem a polímeros de β-manose. A caracterização bioquímica das PL1A, PL1B e PL9 aqui descrita constituiu o primeiro relato de actividade pectinolítica no celulossoma de C. thermocellum. Estas enzimas podem estar associadas a CBMs que revelam pouca especificidade de ligação aos substratos. Testou-se a aplicação de β-glucanases na suplementação alimentar animal, tanto como enzimas isoladas, como associadas em mini-celulossomas. Os dados apresentados aqui revelam que são as β-1,3-1,4-glucanases e não as β-1,4-glucanases as enzimas responsáveis por melhorar o valor nutritivo de dietas à base de cevada para frangos. Por outro lado, os resultados mostram que a eficácia dos mini-celulossomas para melhorar o desempenho das enzimas exógenas usadas na suplementação alimentar requer um mecanismo eficaz para proteger as regiões de ligação entre os componentes celulossomais da degradação por proteases.