O projeto genoma de Penicillium echinulatum 2HH e S1M29: a genômica viabilizando a descoberta de conhecimento
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | eng por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UCS |
Texto Completo: | https://repositorio.ucs.br/11338/6801 |
Resumo: | Enzimas celulolíticas produzidas por fungos são utilizadas em diversos processos industriais, como a produção de tecidos, papel, alimentos e biocombustíveis. Penicillium echinulatum 2HH é um ascomiceto isolado do trato digestório de larvas de um coleóptero em 1979, também conhecido por seus coquetéis enzimáticos. Para melhorar os rendimentos de sacarificação da biomassa celulósica para exploração comercial, uma estratégia é o design de cepas hipersecretoras de enzimas. No entanto, o conhecimento molecular sobre o sistema celulolítico deste fungo é bastante restrito. No ano de 2013 foi realizado o sequenciamento dos genomas do mutante S1M29 e do parental selvagem 2HH de P. echinulatum. O objetivo desta tese compreendeu a montagem, anotação e depósito dos dois genomas draft em bancos de dados públicos, viabilizando a descoberta de conhecimento a partir de dados genômicos. A descoberta de conhecimento abrangeu uma série de domínios: i) identificação molecular para reposicionamento da espécie; ii) caracterização de mutações acumuladas no mutante S1M29; iii) análises evolucionárias a partir de marcadores gerais e específicos; iv) caracterização de genes de interesse: Enzimas Ativas em Carboidratos (CAZymes), transportadores de açúcares (STs) e fatores de transcrição (TFs); v) construção da rede regulatória de genes (GRN); e vi) identificação de genes-alvo para obtenção de linhagens comerciais. A identificação molecular da linhagem selvagem 2HH e seu reposicionamento na série Oxalica destacam-se pela primordialidade para estudos comparativos com outros microrganismos. O depósito dos genomas draft da linhagem selvagem 2HH e do mutante S1M29 no GenBank possibilita a ampliação do entendimento molecular desse fungo. A análise das mutações acumuladas no mutante S1M29 destacou um amplo conjunto de mutações, evidenciando a enzima BGL2 e o fator de transcrição FlbA que provavelmente contém as principais mutações envolvidas na hiperprodução de celulases. Também identificamos que o fenótipo albino do mutante S1M29 resultou de uma mutação na enzima ALB1, pertencente à via de biossíntese de DHN-melanina. Nossos resultados relacionados às análises evolucionárias hipotetizam uma simbiose mutualística potencial a longo prazo entre P. echinulatum 2HH e Anobium punctatum, cujas interações ambiente-específicas poderiam explicar a diferença na composição gênica em relação à Penicillium oxalicum 114-2. Ademais, a caracterização do CAZyoma de P. echinulatum 2HH demonstra que os genes que constituem o sistema celulolítico são predominantemente ortólogos a P. oxalicum 114-2, incluindo uma monooxigenase da família AA16, descrita pela primeira vez nesses dois fungos. Em seguida, a caracterização do transportoma de açúcares demonstrou a diversidade e especificidade de STs, incluindo oito famílias com especificidade para diferentes grupos de açúcares. Finalmente, a caracterização do TFoma e a inferência das redes regulatórias de genes de P. echinulatum 2HH e P. oxalicum 114-2 compreendem interações regulatórias que abrangem diversos processos biológicos, explorando diversos módulos regulatórios, como CpcA, FF-7, COL-26, AmyR, ClrB, CreA e XlnR. Esta tese contribui fortemente para construção de uma estrutura de suporte para compreensão molecular de P. echinulatum 2HH, revelando características relacionadas à produção de enzimas celulolíticas, captação de açúcares, produção de melanina, composição da parede celular e regulação da expressão gênica desse fungo. O conhecimento de vias regulatórias, aliado à caracterização de CAZymes e STs fornecem instrumentos para concepção de cepas comerciais, possibilitando a utilização de P. echinulatum 2HH para a produção de etanol 2G em larga escala. Finalmente, destacamos P. echinulatum 2HH como um importante aliado biotecnológico para a produção de biocombustíveis, auxiliando na transição energética global [resumo fornecido pelo autor]. |
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Lenz, Alexandre RafaelNoronha, Eliane FerreiraGranada, Camille EichelbergerLaguna, Sergio EcheverrigarayDillon, Aldo José Pinheiro2021-02-11T18:52:36Z2021-02-11T18:52:36Z2021-02-112020-12-10https://repositorio.ucs.br/11338/6801Enzimas celulolíticas produzidas por fungos são utilizadas em diversos processos industriais, como a produção de tecidos, papel, alimentos e biocombustíveis. Penicillium echinulatum 2HH é um ascomiceto isolado do trato digestório de larvas de um coleóptero em 1979, também conhecido por seus coquetéis enzimáticos. Para melhorar os rendimentos de sacarificação da biomassa celulósica para exploração comercial, uma estratégia é o design de cepas hipersecretoras de enzimas. No entanto, o conhecimento molecular sobre o sistema celulolítico deste fungo é bastante restrito. No ano de 2013 foi realizado o sequenciamento dos genomas do mutante S1M29 e do parental selvagem 2HH de P. echinulatum. O objetivo desta tese compreendeu a montagem, anotação e depósito dos dois genomas draft em bancos de dados públicos, viabilizando a descoberta de conhecimento a partir de dados genômicos. A descoberta de conhecimento abrangeu uma série de domínios: i) identificação molecular para reposicionamento da espécie; ii) caracterização de mutações acumuladas no mutante S1M29; iii) análises evolucionárias a partir de marcadores gerais e específicos; iv) caracterização de genes de interesse: Enzimas Ativas em Carboidratos (CAZymes), transportadores de açúcares (STs) e fatores de transcrição (TFs); v) construção da rede regulatória de genes (GRN); e vi) identificação de genes-alvo para obtenção de linhagens comerciais. A identificação molecular da linhagem selvagem 2HH e seu reposicionamento na série Oxalica destacam-se pela primordialidade para estudos comparativos com outros microrganismos. O depósito dos genomas draft da linhagem selvagem 2HH e do mutante S1M29 no GenBank possibilita a ampliação do entendimento molecular desse fungo. A análise das mutações acumuladas no mutante S1M29 destacou um amplo conjunto de mutações, evidenciando a enzima BGL2 e o fator de transcrição FlbA que provavelmente contém as principais mutações envolvidas na hiperprodução de celulases. Também identificamos que o fenótipo albino do mutante S1M29 resultou de uma mutação na enzima ALB1, pertencente à via de biossíntese de DHN-melanina. Nossos resultados relacionados às análises evolucionárias hipotetizam uma simbiose mutualística potencial a longo prazo entre P. echinulatum 2HH e Anobium punctatum, cujas interações ambiente-específicas poderiam explicar a diferença na composição gênica em relação à Penicillium oxalicum 114-2. Ademais, a caracterização do CAZyoma de P. echinulatum 2HH demonstra que os genes que constituem o sistema celulolítico são predominantemente ortólogos a P. oxalicum 114-2, incluindo uma monooxigenase da família AA16, descrita pela primeira vez nesses dois fungos. Em seguida, a caracterização do transportoma de açúcares demonstrou a diversidade e especificidade de STs, incluindo oito famílias com especificidade para diferentes grupos de açúcares. Finalmente, a caracterização do TFoma e a inferência das redes regulatórias de genes de P. echinulatum 2HH e P. oxalicum 114-2 compreendem interações regulatórias que abrangem diversos processos biológicos, explorando diversos módulos regulatórios, como CpcA, FF-7, COL-26, AmyR, ClrB, CreA e XlnR. Esta tese contribui fortemente para construção de uma estrutura de suporte para compreensão molecular de P. echinulatum 2HH, revelando características relacionadas à produção de enzimas celulolíticas, captação de açúcares, produção de melanina, composição da parede celular e regulação da expressão gênica desse fungo. O conhecimento de vias regulatórias, aliado à caracterização de CAZymes e STs fornecem instrumentos para concepção de cepas comerciais, possibilitando a utilização de P. echinulatum 2HH para a produção de etanol 2G em larga escala. Finalmente, destacamos P. echinulatum 2HH como um importante aliado biotecnológico para a produção de biocombustíveis, auxiliando na transição energética global [resumo fornecido pelo autor].Cellulolytic enzymes produced by fungi are used in several industrial processes, such as the production of fabrics, paper, food and biofuels. Penicillium echinulatum 2HH is an ascomycete isolated from the digestive tract of coleoptera larvae in 1979, also known for its enzymatic cocktails. To improve the saccharification yield of cellulosic biomass for commercial exploitation, one strategy is the design of hypersecretory strains of enzymes. However, the molecular knowledge about the lignocellulolytic system of this fungus is quite limited. In 2013, both genomes of S1M29 mutant and 2HH wild-type of P. echinulatum were sequenced. The purpose of this thesis included the assembly, annotation and deposit of both draft genomes in public databases, enabling knowledge discovery from genomic data. The knowledge discovery covered a series of domains: i) molecular identification to reposition the species; ii) characterization of accumulated mutations in S1M29 mutant; iii) evolutionary analyzes based on general and specific markers; iv) characterization of target genes: carbohydrate-active enzymes (CAZymes), sugar transporters (STs) and transcription factors (TFs); v) construction of the gene regulatory network (GRN); and vi) identification of target genes to obtain commercial strains. The molecular identification of 2HH wild-type strain and its repositioning in the Oxalica series stand out for the primordiality for comparative studies with other microorganisms. The deposited draft genomes of 2HH wild-type and S1M29 mutant at GenBank makes it possible to expand the molecular understanding of this fungus. Analysis of accumulated mutations in S1M29 mutant highlighted a wide range of mutations, highlighting BGL2 enzyme and FlbA transcription factor that probably contains the main mutations involved in hyperproduction of cellulases. We also identified that the albino phenotype of S1M29 mutant resulted from a mutation in ALB1 enzyme, which belongs to the DHN-melanin biosynthesis pathway. Our results related to evolutionary analyzes hypothesize a potential long-term mutualistic symbiosis between P. echinulatum 2HH and Anobium punctatum, whose environment-specific interactions could explain the difference in gene composition in relation to Penicillium oxalicum 114-2. Furthermore, the CAZyome characterization of P. echinulatum 2HH demonstrates that the genes of the cellulolytic system are predominantly orthologous to P. oxalicum 114-2, including a monooxygenase of AA16 family, described for the first time in both fungi. Furthermore, the sugar transportome characterization has demonstrated the diversity and specificity of STs from P. echinulatum 2HH, including eight families with specificity for different groups of sugars. Finally, the TFome characterization and the GRNs of P. echinulatum 2HH and P. oxalicum 114-2 comprise regulatory interactions that cover several biological processes, exploring diverse regulatory modules, such as CpcA, FF-7, COL-26, AmyR, ClrB, CreA and XlnR. This thesis contributes strongly in building a framework for molecular understanding of P. echinulatum 2HH, revealing characteristics related to the cellulolytic enzymes production, sugar uptake, melanin production, cell wall composition and regulation of gene expression of this fungus. Knowledge of regulatory pathways, coupled with the characterization of CAZymes and STs provide tools to design commercial strains, enabling the use of P. echinulatum 2HH for large-scale 2G ethanol production. Finally, we highlight P. echinulatum 2HH as an important biotechnological ally for lignocellulosic biofuels production, helping in the global energy transition [resumo fornecido pelo autor].Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPESengporPenicilliumGenomaCelulaseRegulação de expressão gênicaÁlcoolPenicilliumGenomeCellulaseGenetic regulationAlcoholO projeto genoma de Penicillium echinulatum 2HH e S1M29: a genômica viabilizando a descoberta de conhecimentoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UCSinstname:Universidade de Caxias do Sul (UCS)instacron:UCSinfo:eu-repo/semantics/openAccessUniversidade de Caxias do Sulhttp://lattes.cnpq.br/9063268848566672Lenz, Alexandre RafaelDoutorado em BiotecnologiaSilva, Scheila de Avila eCampus Universitário de Caxias do Sul2022-07-11ORIGINALTese Alexandre Rafael Lenz.pdfTese Alexandre Rafael Lenz.pdfapplication/pdf17571384https://repositorio.ucs.br/xmlui/bitstream/11338/6801/1/Tese%20Alexandre%20Rafael%20Lenz.pdf122a821debfd1c822a62611d24872268MD51THUMBNAILTese Alexandre Rafael Lenz.pdf.jpgTese Alexandre Rafael Lenz.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1362https://repositorio.ucs.br/xmlui/bitstream/11338/6801/3/Tese%20Alexandre%20Rafael%20Lenz.pdf.jpg6ce060b0489f20f0ca97487149bdb6e0MD53Tese_Alexandre Rafael Lenz.pdf.jpgTese_Alexandre Rafael Lenz.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1205https://repositorio.ucs.br/xmlui/bitstream/11338/6801/5/Tese_Alexandre%20Rafael%20Lenz.pdf.jpge538ac96563b8770f5262915576edd82MD55TEXTTese_Alexandre Rafael Lenz.pdf.txtTese_Alexandre Rafael Lenz.pdf.txtExtracted texttext/plain20427https://repositorio.ucs.br/xmlui/bitstream/11338/6801/4/Tese_Alexandre%20Rafael%20Lenz.pdf.txtdf97cacad54f71133f383a227bb71161MD5411338/68012022-07-12 11:17:31.863oai:repositorio.ucs.br:11338/6801Repositório de Publicaçõeshttp://repositorio.ucs.br/oai/requestopendoar:2022-07-12T11:17:31Repositório Institucional da UCS - Universidade de Caxias do Sul (UCS)false |
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