The hydroxyquinol degradation pathway in Rhodococcus jostii RHA1 and Agrobacterium species is an alternative pathway for degradation of protocatechuic acid and lignin fragments

Deletion of the pcaHG genes encoding protocatechuate 3,4-dioxygenase in Rhodococcus jostii RHA1 gives a gene deletion strain still able to grow on protocatechuic acid as sole carbon source, indicating a second degradation pathway for protocatechuic acid. Metabolite analysis of wild-type R. jostii RHA1 grown on media containing vanillin or protocatechuic acid indicated the formation of hydroxyquinol (benzene-1,2,4-triol) as a downstream product. Gene cluster ro01857-ro01860 in Rhodococcus jostii RHA1 contains genes encoding hydroxyquinol 1,2-dioxygenase and maleylacetate reductase for degradation of hydroxyquinol but also putative mono-oxygenase (ro01860) and putative decarboxylase (ro01859) genes, and a similar gene cluster is found in the genome of lignin-degrading Agrobacterium sp.. Recombinant R. jostii mono-oxygenase and decarboxylase enzymes were in combination found to convert protocatechuic acid to hydroxyquinol. Hence an alternative pathway for degradation of protocatechuic acid via oxidative decarboxylation to hydroxyquinol is proposed

Lignin degradation by microbial consortia from termite : Enrichment and characterization of bacterial communities by (bio-)chemical and metagenomics approaches

Construite sur le modèle de la raffinerie pétrochimique, la bioraffinerie doit représenter un changement de paradigme dans l’utilisation des ressources, un retour à l’utilisation de la biomasse lignocellulosique, renouvelable, plutôt que des sources de carbone fossiles. Cependant, la transformation de la lignocellulose représente un enjeu de taille. En particulier, la valorisation de la lignine, polymère aromatique, présente un fort potentiel mais reste un point d’achoppement important en raison de la difficulté de sa déconstruction.La nature regorge pourtant d’organismes pour lesquels la biomasse lignocellulosique est à la base du régime alimentaire. C’est notamment le cas des insectes xylophages comme les termites dont les communautés microbiennes endosymbiotiques sont capable de convertir la lignocellulose en acétate utilisé par l’hôte comme source d’énergie. En revanche, notre connaissance actuelle de la dégradation de la lignine par des communautés microbiennes issues de termites reste insuffisante. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, d’étudier des consortia microbiens issus de termite et leur implication potentielle dans la délignification.Dans le cadre du projet européen ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) fondé par le partenariat public-privé BBI (Bio-Based Industries), nous avons procédé à l’enrichissement en batchs successifs de consortia microbiens sur différents substrats et dans différentes conditions afin d’obtenir un consortium capable de dégrader la lignine puis l’avons cultivé en bioréacteurs. Afin de montrer le potentiel de consortia microbiens issus de termite pour la valorisation de la lignine, nous avons couplé la caractérisation structurelle des substrats utilisés au cours de la digestion par hydrolyse acide, 2D HSQC NMR et 13C-IS py-GC-MS à la caractérisation des communautés microbiennes par métagénomique « shotgun ».Cette approche couplée nous a permis de démontrer le potentiel lignolytique, aussi bien en milieu anaéobie qu’aérobie de communautés microbiennes issues de termites. Nous avons également pu enrichir et étudier un consortium lignocellulolytique. Grâce à la reconstruction de MAGs, nous avons pu identifier des bactéries et enzymes d’intérêt biotechnologique. Par ailleurs, cela nous a également permis d’élucider le fonctionnement de ces consortia en montrant l’importance des interactions synergiques entre MAGs pour la transformation de la lignocellulose en énergie.Based on the petrochemical refinery model, biorefinery are to represent a paradigm shift in resource usage with a call back to lignocellulosic biomass instead of fossil carbon sources. However, lignocellulose transformation is challenging. The case of lignin, an aromatic polymer, is especially tricky. On the one hand its valorization presents a high potential but on the other hand the difficulty to achieve its deconstruction limits the applications.However, there is in Nature a multitude of organisms for which lignocellulosic biomass constitute the main diet. It is most notably the case for phytophagous insects such as termites whose endosymbiotic microbial communities are able to transform lignocellulose into acetate which is used by the host for energy. However, our knowledge of lignin degradation by termites is still sparse if not contradictory. In this PhD project, we thus aims to study microbial consortia from termite and their potential implication in delignification of biomass.Within the BBI (Bio-Based Industries) joint undertaking under the ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) framework, we have tried various substrates and conditions to enrich a lignolytic consortium in batch which we then implemented in bioreactors. So that we could investigate the potential of termite-derived microbial consortia for lignin valorization, we coupled structural characterization of the substrates by acid hydrolysis, 2D HSQC NMR and 13C-IS py-GC-MS with the characterization of the microbial communities by « shotgun » metagenomics.Thanks to this coupled approach, we could demonstrate the lignolytic potential of termite derived microbial consortia in both aerobic and anaerobic conditions. This also allowed us to enrich and characterize a lignocellulolytic consortium. Metagenomics approaches resulted in the reconstruction of numerous MAGs which enabled the identification of both bacteria and enzymes of biotechnological interest. Furthermore, we were able to decipher some aspects of the communities functioning by highlighting the importance of synergistic interactions between MAGs to convert lignocellulose into energy

Dégradation de la lignine par des consortia microbiens issus de termites : Enrichissement et caractérisation des communautés bactériennes par des approches (bio-)chimiques et métagénomiques

Based on the petrochemical refinery model, biorefinery are to represent a paradigm shift in resource usage with a call back to lignocellulosic biomass instead of fossil carbon sources. However, lignocellulose transformation is challenging. The case of lignin, an aromatic polymer, is especially tricky. On the one hand its valorization presents a high potential but on the other hand the difficulty to achieve its deconstruction limits the applications.However, there is in Nature a multitude of organisms for which lignocellulosic biomass constitute the main diet. It is most notably the case for phytophagous insects such as termites whose endosymbiotic microbial communities are able to transform lignocellulose into acetate which is used by the host for energy. However, our knowledge of lignin degradation by termites is still sparse if not contradictory. In this PhD project, we thus aims to study microbial consortia from termite and their potential implication in delignification of biomass.Within the BBI (Bio-Based Industries) joint undertaking under the ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) framework, we have tried various substrates and conditions to enrich a lignolytic consortium in batch which we then implemented in bioreactors. So that we could investigate the potential of termite-derived microbial consortia for lignin valorization, we coupled structural characterization of the substrates by acid hydrolysis, 2D HSQC NMR and 13C-IS py-GC-MS with the characterization of the microbial communities by « shotgun » metagenomics.Thanks to this coupled approach, we could demonstrate the lignolytic potential of termite derived microbial consortia in both aerobic and anaerobic conditions. This also allowed us to enrich and characterize a lignocellulolytic consortium. Metagenomics approaches resulted in the reconstruction of numerous MAGs which enabled the identification of both bacteria and enzymes of biotechnological interest. Furthermore, we were able to decipher some aspects of the communities functioning by highlighting the importance of synergistic interactions between MAGs to convert lignocellulose into energy.Construite sur le modèle de la raffinerie pétrochimique, la bioraffinerie doit représenter un changement de paradigme dans l’utilisation des ressources, un retour à l’utilisation de la biomasse lignocellulosique, renouvelable, plutôt que des sources de carbone fossiles. Cependant, la transformation de la lignocellulose représente un enjeu de taille. En particulier, la valorisation de la lignine, polymère aromatique, présente un fort potentiel mais reste un point d’achoppement important en raison de la difficulté de sa déconstruction.La nature regorge pourtant d’organismes pour lesquels la biomasse lignocellulosique est à la base du régime alimentaire. C’est notamment le cas des insectes xylophages comme les termites dont les communautés microbiennes endosymbiotiques sont capable de convertir la lignocellulose en acétate utilisé par l’hôte comme source d’énergie. En revanche, notre connaissance actuelle de la dégradation de la lignine par des communautés microbiennes issues de termites reste insuffisante. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, d’étudier des consortia microbiens issus de termite et leur implication potentielle dans la délignification.Dans le cadre du projet européen ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) fondé par le partenariat public-privé BBI (Bio-Based Industries), nous avons procédé à l’enrichissement en batchs successifs de consortia microbiens sur différents substrats et dans différentes conditions afin d’obtenir un consortium capable de dégrader la lignine puis l’avons cultivé en bioréacteurs. Afin de montrer le potentiel de consortia microbiens issus de termite pour la valorisation de la lignine, nous avons couplé la caractérisation structurelle des substrats utilisés au cours de la digestion par hydrolyse acide, 2D HSQC NMR et 13C-IS py-GC-MS à la caractérisation des communautés microbiennes par métagénomique « shotgun ».Cette approche couplée nous a permis de démontrer le potentiel lignolytique, aussi bien en milieu anaéobie qu’aérobie de communautés microbiennes issues de termites. Nous avons également pu enrichir et étudier un consortium lignocellulolytique. Grâce à la reconstruction de MAGs, nous avons pu identifier des bactéries et enzymes d’intérêt biotechnologique. Par ailleurs, cela nous a également permis d’élucider le fonctionnement de ces consortia en montrant l’importance des interactions synergiques entre MAGs pour la transformation de la lignocellulose en énergie

Dégradation de la lignine par des consortia microbiens issus de termites : Enrichissement et caractérisation des communautés bactériennes par des approches (bio-)chimiques et métagénomiques

Based on the petrochemical refinery model, biorefinery are to represent a paradigm shift in resource usage with a call back to lignocellulosic biomass instead of fossil carbon sources. However, lignocellulose transformation is challenging. The case of lignin, an aromatic polymer, is especially tricky. On the one hand its valorization presents a high potential but on the other hand the difficulty to achieve its deconstruction limits the applications.However, there is in Nature a multitude of organisms for which lignocellulosic biomass constitute the main diet. It is most notably the case for phytophagous insects such as termites whose endosymbiotic microbial communities are able to transform lignocellulose into acetate which is used by the host for energy. However, our knowledge of lignin degradation by termites is still sparse if not contradictory. In this PhD project, we thus aims to study microbial consortia from termite and their potential implication in delignification of biomass.Within the BBI (Bio-Based Industries) joint undertaking under the ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) framework, we have tried various substrates and conditions to enrich a lignolytic consortium in batch which we then implemented in bioreactors. So that we could investigate the potential of termite-derived microbial consortia for lignin valorization, we coupled structural characterization of the substrates by acid hydrolysis, 2D HSQC NMR and 13C-IS py-GC-MS with the characterization of the microbial communities by « shotgun » metagenomics.Thanks to this coupled approach, we could demonstrate the lignolytic potential of termite derived microbial consortia in both aerobic and anaerobic conditions. This also allowed us to enrich and characterize a lignocellulolytic consortium. Metagenomics approaches resulted in the reconstruction of numerous MAGs which enabled the identification of both bacteria and enzymes of biotechnological interest. Furthermore, we were able to decipher some aspects of the communities functioning by highlighting the importance of synergistic interactions between MAGs to convert lignocellulose into energy.Construite sur le modèle de la raffinerie pétrochimique, la bioraffinerie doit représenter un changement de paradigme dans l’utilisation des ressources, un retour à l’utilisation de la biomasse lignocellulosique, renouvelable, plutôt que des sources de carbone fossiles. Cependant, la transformation de la lignocellulose représente un enjeu de taille. En particulier, la valorisation de la lignine, polymère aromatique, présente un fort potentiel mais reste un point d’achoppement important en raison de la difficulté de sa déconstruction.La nature regorge pourtant d’organismes pour lesquels la biomasse lignocellulosique est à la base du régime alimentaire. C’est notamment le cas des insectes xylophages comme les termites dont les communautés microbiennes endosymbiotiques sont capable de convertir la lignocellulose en acétate utilisé par l’hôte comme source d’énergie. En revanche, notre connaissance actuelle de la dégradation de la lignine par des communautés microbiennes issues de termites reste insuffisante. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, d’étudier des consortia microbiens issus de termite et leur implication potentielle dans la délignification.Dans le cadre du projet européen ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) fondé par le partenariat public-privé BBI (Bio-Based Industries), nous avons procédé à l’enrichissement en batchs successifs de consortia microbiens sur différents substrats et dans différentes conditions afin d’obtenir un consortium capable de dégrader la lignine puis l’avons cultivé en bioréacteurs. Afin de montrer le potentiel de consortia microbiens issus de termite pour la valorisation de la lignine, nous avons couplé la caractérisation structurelle des substrats utilisés au cours de la digestion par hydrolyse acide, 2D HSQC NMR et 13C-IS py-GC-MS à la caractérisation des communautés microbiennes par métagénomique « shotgun ».Cette approche couplée nous a permis de démontrer le potentiel lignolytique, aussi bien en milieu anaéobie qu’aérobie de communautés microbiennes issues de termites. Nous avons également pu enrichir et étudier un consortium lignocellulolytique. Grâce à la reconstruction de MAGs, nous avons pu identifier des bactéries et enzymes d’intérêt biotechnologique. Par ailleurs, cela nous a également permis d’élucider le fonctionnement de ces consortia en montrant l’importance des interactions synergiques entre MAGs pour la transformation de la lignocellulose en énergie

Termite Gut Microbiota Contribution to Wheat Straw Delignification in Anaerobic Bioreactors

International audienceLignin is a major lock for lignocellulose valorization in biorefineries, prompting a need to find new ligninolytic systems. Termites are efficient lignocellulose degraders, and a large part of this ability comes from its anaerobic gut microbiome. However, the potential of termite gut microbiomes to degrade lignin under anaerobic conditions has yet to be elucidated. By applying wet chemistry, multidimensional NMR spectroscopy, and quantitative C-13-IS py-GC-MS, we determined the chemical and structural characteristics of wheat straw digested by the gut microbiomes of higher termites Nasutitermes ephratae, Nasutitermes lujae, Microcerotermes parvus, and Termes hospes implemented in anaerobic bioreactors. Interestingly, all gut microbiomes managed to remove lignin (up to 37%), although hemicellulose (mean 51%) and cellulose (mean 41%) were degraded more efficiently. Important structural differences, indicative of ligninolytic action, were discerned in the residual lignin. For the studied termite gut microbiomes, a slight decrease of S/G ratio was observed upon digestion, whereas lignin's interunit linkages and Ca-oxidized moieties, including benzaldehyde and hydroxypropiovanillone/syringone substructures, accumulated. Additionally, tricin terminal units were clearly depleted, along with decreases in p-coumarate and ferulate pendant units. At least 80% of the observed delignification is estimated to be due to the removal of "true" lignin, with the remainder being explained by the removal of hydroxycinnamic acids and tricin. Collectively, our findings suggest a partial deconstruction of lignin, with "peripheral" lignin subunits being preferentially targeted. The present work thus provides new insights into the anaerobic deconstruction of lignin by termite gut microbiomes