Back to search

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

ERA-NET: Mining the microbiomes from marine wood-digesting bivalves for novel lignocellulose depolymerizing enzymes

Alternative title: Marine treborere og deres bakterielle symbionter. Nye enzymer og løsninger for konvertering av biomasse fra planter og trær

Awarded: NOK 6.1 mill.

Shipworms are a unique family of marine bivalves capable of depolymerizing lignocellulose originating from trees/wood that is occasionally washed/blown ashore. This project has used the European shipworms as a model system for a holistic study of lignocellulose degradation and mined their metagenomes (sequenced total-DNA) for genes encoding novel lignocellulose depolymerizing enzymes. Lignocellulose is a greatly undervalorized biomass and methodologies to convert it to high-value products needs fortification. This plant-derived raw material is the most abundant biomass in Europe and it can be harvested from waste streams found in forest and agricultural industries. Shipworms are voracious animals with respect to their appetite for wood. These marine bivalves are causing severe damage to all wood found in the sea worldwide. Their digestive system is especially intriguing. Wood engulfed by mechanical rasping is digested by enzymes secreted by the shipworm itself and by a community of symbiotic bacteria located in the gill tissue. The shipworm gill symbionts are specialists in lignocellulose degradation and perform this task by applying a perfected enzyme cocktail in a defined and physiochemically stable environment. Thus, by unravelling the contributions of the individual enzymes in the shipworm cocktail, we have the opportunity to take a leap forward in understanding the fundamental properties of enzymatic lignocellulose degradation. The project is a collaboration between Norway (UiT, Tromsø and NMBU, Ås), Germany (GAUG, Göttingen and L3 scientific solutions, Geesthacht), Romania (UB, Bucharest) and the Azorene (UAc, Ponta Delgada). Six different species of wood-boring bivalves have been collected from European waters. All partners have found shipworms in their seas, ranging from the Black Sea in the east, to the Azores in the south and the Barents Sea in the North. In addition to the vast metagenomic sequencing effort, we have also isolated the total protein content from the shipworm gut and hepatopancreas and performed a metaproteomic analysis. Together, this has given information on which enzymes (originating from both the shipworm and symbiotic bacteria) are present and how abundant they are. Interesting enzymes have been recombinantly produced, purified and characterized. The enzymes have many application areas in different industries. The project has also provided much needed information regarding the European marine woodborers, their biogeography, anatomy, phylogeny and damage potential.

Gjennom dette samarbeidsprosjektet har vi produsert ny kunnskap om Europeiske pælemark, en type trespisende marine skjell som er mindre kjent. Vi har knyttet nære kontakter med etablerte forskningsinstitusjoner i utlandet og i Norge. Vi har lært av hverandre, utvekslet erfaringer og overført ny kunnskap til studenter og forskere, særlig innen temaene bioinformatikk og metagenomikk. Nye prosjektinitiativ har også blitt etablert. Vi har oppdaget en myriade av nye gen-sekvenser og karakterisert en rekke enzymer. Dette vil være svært nyttige i fremtidige prosjekter rettet mot enzymatisk degradering av lignocellulose, både hos industri og forskningsinstitusjoner. Gjennom feltarbeidet i forbindelse med innsamling av dyr, har vi interagert med lokalsamfunn/kommuner og rettet søkelyset mot pælemark som mulige skadedyr. I dagens moderne samfunn har vi godt av å bli påminnet om eksistensen av disse trespisende skjellene, da de gamle beskyttende impregneringsmidlene er forbudt å bruke.

Lignocellulose is a greatly undervalorized biomass and methodologies to convert it to high-value products needs fortification. This plant-derived raw material is the most abundant biomass in Europe and it can be harvested from waste streams found in forest and agricultural industries. A functional bioeconomy depends on the ability to convert lignocellulose to chemicals and fuels, a process called biorefining, which still is in its infancy. A critical step in biorefining is the enzymatic conversion of lignocellulose to soluble sugars and lignin. The cost and the efficiency of enzymes is far from optimal and new enzymes are needed to improve the efficiency and sustainability of lignocellulose depolymerization. Through META-MINE, we will exploit the process strategies of nature's own micro-biorefinery, the shipworm. Shipworms are voracious animals with respect to their appetite for wood. These marine bivalves are causing severe damage to all wood found in the sea worldwide. Their digestive system is especially intriguing. Wood engulfed by mechanical rasping is digested by enzymes secreted by a community of symbiotic bacteria located in the gill tissue. Current model systems for the study of cellulose degradation are highly complex (e.g. community driven anaerobe systems in ruminants and the intricate secreted enzyme systems of aerobic fungi), and challenging to analyze. The shipworm gill symbionts are specialists in lignocellulose degradation and perform this task by applying a perfected enzyme cocktail in a defined and physiochemically stable environment. Thus, by unravelling the contributions of the individual enzymes in the shipworm cocktail, we have the opportunity to take a leap forward in understanding the fundamental properties of enzymatic lignocellulose degradation. META-MINE will use the shipworms as a model system for a holistic study of marine lignocellulose degradation and mine the metagenomes for novel lignocellulose depolymerizing enzymes.

Publications from Cristin

No publications found

Funding scheme:

BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

Thematic Areas and Topics

Globale utfordringerBioteknologiLandbruksbioteknologiAnvendt forskningEnergiFornybar energi, bioPolitikk- og forvaltningsområderSkog, landbruk og matBioteknologiIndustriell bioteknologiEnergiNordområdeneKlima, miljø og biologiske ressurserBioteknologiMarin bioteknologiNordområdeneNordområdeneKunnskapsbasert næringsutviklingGlobale utfordringerGlobale miljøutfordringerGrunnforskningNaturmangfold og miljøGlobale miljøutfordringerPolitikk- og forvaltningsområderMiljø, klima og naturforvaltningPolitikk- og forvaltningsområderLTP3 Klima, polar og miljøMarinMarint naturmangfold, økosystemer og økosystemtjenesterLTP3 Miljøvennlig energi og lavutslippsløsningerPortefølje Energi og transportMarinMarin bioteknologiNaturmangfold og miljøMarint naturmangfold, økosystemer og økosystemtjenesterPolitikk- og forvaltningsområderNæring og handelNaturmangfold og miljøNaturmangfold og miljøBærekraftig energiPortefølje Banebrytende forskningBransjer og næringerHelsenæringenLTP3 Styrket konkurransekraft og innovasjonsevneNaturmangfold og miljøSirkulær økonomiBransjer og næringerBioøkonomiInternasjonaliseringLTP3 Et kunnskapsintensivt næringsliv i hele landetBransjer og næringerProsess- og foredlingsindustriLTP3 Bioøkonomi og forvaltningLTP3 Klima, miljø og energiCo-Funded/ERA-NETBioteknologiDelportefølje InternasjonaliseringLTP3 Nano-, bioteknologi og teknologikonvergensCo-Funded/ERA-NETERA-NET FP7InternasjonaliseringInternasjonalt prosjektsamarbeidLTP3 Muliggjørende og industrielle teknologierMarinDelportefølje Et velfungerende forskningssystemLTP3 Marine bioressurser og havforvaltningPortefølje Mat og bioressurserPortefølje ForskningssystemetKlimarelevant forskningPortefølje Muliggjørende teknologierPortefølje InnovasjonLTP3 Hav og kystPortefølje Klima og miljøMiljøvennlig energiFornybar energi, bioSirkulær økonomi