Characterizing xylan-degrading enzymes from a putative Xylan Utilization System derived from termite gut metagenome

• Main Author: Wu, Haiyang
• Other Authors: Toulouse, INSA
• Language: en
• Published: 2018
• Subjects: Xylanase; GH10; CBM; MST; XUS; Biomasse lignocellulosique; Bacteroidetes; Métagénomique; Bioeconomie; Lignocellulosic biomass; Metagenomic; Bioeconomy; 572; 572.7
• Online Access: http://www.theses.fr/2018ISAT0039

Dans le contexte de la bioéconomie, la découverte et la caractérisation des enzymes capables de dégrader la paroi végétale est particulièrement intéressante pour l’utilisation de la biomasse lignocellulosique dans l’industrie. A cet égard, la métagénomique fonctionnelle est un outil puissantpour découvrir de nouvelles enzymes à partir d’écosystèmes microbiens variés, comme l’illustrent les travaux sur le tube digestif du termite Pseudacanthotermes militaris. Cette étude a fourni une mine d’informations et identifié un hypothétique locus d’utilisation du xylane (XUS), codant pour cinq glycosides hydrolases (GH) et une carbohydrate esterase (CE) de Bacteroidales.Le XUS du métagénome de Pseudacanthotermes militaris contient une xylanase de la famille GH10 qui possède une organisation modulaire complexe dans laquelle la séquence du domaine GH10 est interrompue par une insertion de deux carbohydrate binding modules (CBM). Des travaux préliminaires ont montré que cette enzyme modulaire, désignée Pm25, est active sur xylane. Par conséquent, un des objectifs de cette étude a été la caractérisation détaillée des propriétés biochimiques et catalytiques de Pm25. Le rôle des CBM a également été examiné en quantifiant les interactions protéines-sucres et permettant ainsi une meilleure compréhension du rôle spécifique de ces modules, les résultats obtenus permettent de cerner l’impact de la modularité de Pm25 sur ses propriétés fonctionnelles.Dans une deuxième partie de l’étude, nous avons entrepris d’étudier la fonction de Pm25 dans le contexte du cluster XUS. Pour ce faire, nous avons étudié les enzymes adjacentes à Pm25 sur le locus,une autre GH10, une GH11, une GH115 et une GH43. La comparaison des paramètres cinétiques et une étude détaillée des produits d’hydrolyse ont été analysés par spectrométrie de masse et ont révélé que la GH10 et la GH11 étaient les enzymes clefs de la dépolymérisation en étant 20 fois plus efficaces que Pm25. En parallèle, nous avons développé un protocole pour l’utilisation de la micro-thermophorèse (MST) pour quantifier les interactions CBM-sucres, une approche intéressante qui nécessite peut d’échantillon et de ligand contrairement à d’autres méthodes biophysiques. Dans l’ensemble, cette étude a révélé le rôle important de Pm25 et ses homologues dans les locus d’utilisation des xylanes chez les Bacteroidetes et a permis d’identifié le sens de cette architecture particulière. === In the context of bioeconomy, the discovery and study of plant-cell wall degrading enzymes is particularly relevant for the use of lignocellulosic biomass for industrial purposes. In this respect, functional metagenomics has proven to be a powerful tool to discover new enzymes from a variety of microbial ecosystems, as exemplified by work performed on the gut of the termite Pseudacanthotermes militaris. This study provided a wealth of information and identified an interesting hypothetical xylan utilization system, encoding five glycoside hydrolases (GH) and one carbohydrate esterase (CE) annotated from bacteroidales. The Pseudacanthotermes militaris-derived putative XUS cluster contains a GH10 xylanase that displays a quite complex modular arrangement wherein the GH10 catalytic module contains two insertional carbohydrate binding modules (CBM). During the preliminary work, this modular enzyme, designated Pm25, was shown to be active on xylan, thus in the present research we set out to more thoroughly characterize its biochemical and catalytic properties.The role of the CBM was also investigated, quantifying protein-carbohydrate interactions and thus providing better insight into the specific role of the modules. Taken together, the results obtained provide insight into how Pm25 modularity translates into functional properties. In second part of our study, we set out investigate the function of Pm25 in the context of the XUS cluster. To achieve this we studied a xylan utilization system, which is constituted by another GH10, GH11, GH115 and GH43. The comparison of kinetic parameters and a detailed end product analysis by mass spectrometry showed that GH10 and GH11 outweigh over 20 fold Pm25 catalytic efficiency. In parallel, we developed the use of MicroScale Thermophoresis (MST) to quantify CBM-carbohydrates interactions, an interesting approach requiring smaller concentration of proteinsand ligands compared to other biophysical methods. Overall this study highlighted the important role of Pm25 homologs in the xylan utilization system in Bacteroidetes, and pinpointed the meaning of its unusual architecture.