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

Lignocellulose fra trær og planter er en biomasse som i dag har stort potensiale til å bli utnyttet bedre. I dette prosjektet studerer vi to svært effektive nedbrytere av lignocellulose, nemlig pælemarken og dens mindre slektning treboreskjell. Disse marine skjellene vokser raskt og må ha et perfeksjonert system for å nyttiggjøre seg av energien i lignocellulosen. Både ligninet, hemicellulosen og cellulosen, som trær består av, kan raffineres til enormt mange produkter. I slike industrielle prosesser brukes ofte enzymer som katalyserer nedbrytingen. Det er kjent at både pælemarken og treboreskjell har bakterielle symbionter i gjellene sine som hjelper til i nedbrytingen ved å produsere enzymer skjellene selv ikke lager. Vi har samlet inn og studert seks forskjellige arter av trespisende skjell som lever i europeiske havområder. Alle prosjekt-partnerne har funnet pælemark i sine kyststrøk, som strekker seg fra Svartehavet i øst, Azorene i sør og Barentshavet i Nord. Vi har analysert DNAet til de bakterielle symbiontene. Vi har funnet frem til en mengde nye cellulase gen-sekvenser og har allerede produsert, renset og kartlagt egenskapene til flere av disse enzymene ved å sette genene inn i bakterien Escherichia coli. Videre har vi undersøkt hvilke enzymer, og den relative mengden av dem, man kan finne i pælemarkens mage og fordøyelseskjertlene (fra pælemarken selv og fra bakterie-symbiontene). Vi har fått innblikk i hvilke enzymer som er mest viktige og hvor stor mengde det er av dem. Videre forskning vil ha som mål å avsløre hvordan enzymene jobber sammen for å bryte ned treverket. Enzymene fra prosjektet har mange bruksområder i forskjellige næringer. Prosjektet har også gitt oss et unikt innblikk i de europeiske artene av marine treborere, deres utbredelse, anatomi, slektskapsforhold og skadepotensial. Prosjektet er et samarbeid mellom Norge (UiT, Tromsø og NMBU, Ås), Tyskland (GAUG, Göttingen og L3 scientific solutions, Geesthacht), Romania (UB, Bucharest) og Azorene (UAc, Ponta Delgada).

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.