Des chercheurs brésiliens ont découvert, caractérisé et validé les fonctions de deux nouvelles familles d’enzymes présentant un potentiel biotechnologique.
L’une des méthodes permettant de réduire la dépendance à l’égard du pétrole et des autres combustibles fossiles consiste à convertir les déchets agro-industriels en molécules d’intérêt sociétal, telles que les biocarburants et les produits biochimiques. Le Brésil est bien placé pour prendre la tête de cette évolution, car il est l’un des principaux producteurs mondiaux de biomasse végétale, mais les matières premières lignocellulosiques (contenant de la lignine, de l’hémicellulose et de la cellulose) sont difficiles à déconstruire ou (plus techniquement parlant) récalcitrantes à la dégradation microbienne et enzymatique.
Des scientifiques brésiliens se tournent vers la nature pour trouver des indices sur la façon d’améliorer la dépolymérisation de ces matériaux en augmentant la disponibilité des sucres qu’ils contiennent. Une équipe de recherche du Laboratoire national brésilien des biorenouvelables (LNBR), une branche du Centre brésilien de recherche sur l’énergie et les matériaux (CNPEM), a mené une étude interdisciplinaire faisant appel aux sciences omiques (génomique, protéomique, métabolomique, etc.) et au rayonnement synchrotron à Campinas (État de So Paulo), et a découvert deux nouvelles familles d’enzymes à potentiel biotechnologique produites par des micro-organismes dans l’intestin des capybaras. Le CNPEM est une organisation privée à but non lucratif qui est supervisée par le ministère de la science, de la technologie et de l’innovation (MCTI).
Les deux familles d’enzymes agissent sur les composants des parois cellulaires végétales et peuvent donc être utilisées pour produire des biocarburants, des produits biochimiques et des biomatériaux. L’une d’entre elles a également des applications potentielles dans l’industrie laitière car elle favorise la dégradation du lactose.
Les micro-organismes présents dans le tube digestif de l’animal pourraient avoir des stratégies moléculaires uniques pour dépolymériser cette biomasse. Crédit : Gabriela Felix Persinoti
“L’un de nos axes de recherche explore la diversité brésilienne à la recherche de nouveaux mécanismes microbiens permettant de réduire la récalcitrance des déchets lignocellulosiques. Nous avons remarqué que le capybara est un herbivore très adapté capable d’obtenir de l’énergie à partir de déchets végétaux récalcitrants et qu’il n’a pas été beaucoup étudié”, a déclaré Mário Tyago Murakami, directeur scientifique du LNBR et dernier auteur de l’article rapportant l’étude publiée dans Nature Communications.
Le capybara (Hydrochoerus hydrochaeris) est le plus grand rongeur vivant du monde et transforme très efficacement les sucres contenus dans les plantes en énergie, bien qu’il soit détesté dans certains milieux car il peut héberger la tique qui transmet la fièvre boutonneuse brésilienne, une maladie infectieuse rare mais hautement mortelle causée par la bactérie Rickettsia rickettsii.
“Il existe de nombreuses études sur les ruminants, notamment les bovins, mais les informations sur les herbivores monogastriques sont relativement rares. Contrairement aux ruminants, les capybaras digèrent l’herbe et les autres matières végétales dans le cæcum, la première partie du gros intestin. Compte tenu de la grande efficacité de la transformation des sucres et du fait que les capibaras de la région de Piracicaba…. [of São Paulo state] se nourrissent de canne à sucre, entre autres plantes, nous sommes partis de l’hypothèse que les micro-organismes présents dans le tube digestif de l’animal pourraient avoir des stratégies moléculaires uniques pour dépolymériser cette biomasse, qui est très importante pour l’industrie brésilienne”, a déclaré Gabriela Felix Persinoti, chercheur en bioinformatique au LNBR et auteur correspondant de l’article.
L’étude a été soutenue par la FAPESP via un projet thématique et une bourse postdoctorale accordée à Mariana Abrahão Bueno de Morais.
Nouvelle méthodologie
L’approche interdisciplinaire utilisée dans l’étude comprenait la multi-omique (génomique, transcriptomique et métabolomique utilisée pour caractériser les aspects moléculaires du microbiote intestinal du capybara) et la bioinformatique, ainsi que les accélérateurs de particules du CNPEM pour analyser les enzymes découvertes au niveau atomique. “Je ne me souviens d’aucune étude ayant combiné toutes ces techniques, y compris l’utilisation du rayonnement synchrotron. [a source of extremely bright electromagnetic radiation that helps scientists observe the inner structures of materials]a déclaré Murakami. “Dans cette recherche, notre analyse a foré tout le chemin de la communauté microbienne à la structure atomique de certaines protéines.”
Les scientifiques ont analysé des échantillons prélevés dans le cæcum et le rectum de trois capybaras femelles euthanasiées à Tatuí (État de São Paulo) en 2017 dans le cadre de la politique locale de contrôle de la population de capybaras. Les animaux n’étaient ni gestants ni infectés par R. rickettsii.
” Les échantillons cæcaux et rectaux ont été collectés par chirurgie abdominale. Le matériel a été congelé dans l’azote liquide. DNA and RNA samples were extracted in the laboratory and submitted to large-scale sequencing using integrative omics,” Persinoti said.
They began by sequencing marker genes, in this case 16S, present in all bacteria and archaea. “With this first sequencing, we were able to detect differences between the cecal and rectal samples and to identify the main microorganisms in them. The gene 16S gave us a superficial answer as to which microorganisms were present and abundant to a greater or lesser extent, but didn’t tell us which enzymes the microorganisms produced or which enzymes were present in their genomes,” she explained. “For this purpose, we used another omics technique, metagenomics. We submitted DNA from the entire microbial community in the capybaras’ gastrointestinal tract to large-scale sequencing, obtaining a larger amount of data. By deploying an array of bioinformatics tools, we were able not only to identify the genomes present in each of the samples, and the genes in each of the genomes, but also to find out which genes were new and which microorganisms had never been described. In this manner, we were able to predict the functions of the genes that had the potential to help depolymerize biomass and convert sugar into energy.”
The researchers also wanted to know which microorganisms were most active at the time the samples were collected – in other words, which genes the microorganisms were actually expressing. To this end, they used metatranscriptomics, for which the raw material is RNA. “Another technique we used was metabolomics, to confirm which metabolites the microorganisms were producing,” Persinoti said. “Combining all this information from omics, bioinformatics, and actual and potential gene expression, we were able to decipher the role of gut microorganisms in achieving such highly efficient conversion of plant fibers and to find out which genes were involved in the process.”
They then analyzed all this data to identify genes that could play a key role in reducing plant fiber recalcitrance, focusing mainly on hitherto unknown targets. “The selection strategy focused on novel genomes with an abundance of genes involved in plant biomass depolymerization,” Persinoti said. “We saw how these genes were organized in the genomes of the microorganisms, and leveraged this information to find out whether there were nearby genes with unknown functions that might be involved in breaking down recalcitrant plant fiber. This is important because it guides the search for novel genes, but only when we were able to demonstrate these results experimentally at a later stage could we establish the creation of these novel families of enzymes.”
Having identified these candidates, they moved on to a biochemical demonstration of their functions. “We synthesized the genes in vitro and expressed them using a bacterium to produce the corresponding proteins,” Persinoti said. “We performed several enzyme and biochemical assays to discover the functions of these proteins and where they acted. We determined the proteins’ atomic structures using synchrotron light and other techniques. With this functional and structural information, we were able to do other experiments to find out which regions of the proteins were critical to their activity and analyze the molecular mechanisms underlying their functions.”
According to Murakami, dual validation ensured that novel families were indeed involved. “We selected a gene not very similar to one we had studied previously in the set of sequences that theoretically formed the universe of a newly discovered family. We synthesized the gene, purified it, characterized it biochemically, and showed that the sequence had the same functional properties as the previous one,” he explained. “In other words, we characterized a second member of the new family in order to be absolutely sure these proteins did indeed constitute a novel family.”
Novel enzymes and cocktails
According to Persinoti, one of the newly found families, GH173, has potential uses in the food sector, while another, CBM89, is related with carbohydrate recognition and might help with the manufacturing of second-generation ethanol from sugarcane bagasse and straw.
The researchers are also developing enzyme cocktails with enzyme-hyperproducing fungi, and the newly discovered enzymes could naturally be included in these fungal platforms. “The discovery of novel enzyme families can be integrated with the transfer of technology to support innovation,” Murakami said. “In our group, we’re very interested in exploring this great Brazilian biodiversity treasure, particularly to understand what we call dark genomic matter – parts of these complex microbial communities with unknown potential. Our center has excellent infrastructure for this purpose and, together with our partnerships with public universities, this has enabled competitive research of this kind to be done in Brazil. Indeed, 99% of the work, from conceptual design to execution, analysis and writing up, was done here. Given the immense richness of Brazilian biodiversity, it was only to be expected that we would have the conditions and capabilities to make high-impact discoveries such as these.”
Reference: “Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides” by Lucelia Cabral, Gabriela F. Persinoti, Douglas A. A. Paixão, Marcele P. Martins, Mariana A. B. Morais, Mariana Chinaglia, Mariane N. Domingues, Mauricio L. Sforca, Renan A. S. Pirolla, Wesley C. Generoso, Clelton A. Santos, Lucas F. Maciel, Nicolas Terrapon, Vincent Lombard, Bernard Henrissat and Mario T. Murakami, 2 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28310-y
