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Titel: How to bark up the right tree – Novel metagenomic laccase-like multicopper oxidases from the European spruce bark beetle Ips typographus.
Sonstige Titel: Neue Laccase-artige Multi-Kupfer-Oxidasen aus dem Metagenom des Buchdruckers Ips typographus
Sprache: Englisch
Autor*in: Schorn, Andrea
Schlagwörter: Multikupfer-Oxidase
GND-Schlagwörter: Buchdrucker <Käfer>; Laccase; Metagenom; Mikrobiom <Genetik>; Gastrointestinaltrakt
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-09-11
Zusammenfassung: 
Laccases and laccase-like multicopper oxidases (MCOs) – especially from bacterial origin – represent a massive metabolic potential for a large variety of possible industrial applications. For instance, lignin represents a significant portion of plant biomass that is essentially unutilized at present. The ability to efficiently utilize this biopolymer can possibly enable a renewable replacement for fossil-based resources
in the future.
As various insects and in particular wood-feeding beetles were shown to exhibit laccase-like activity in their digestive systems, the European spruce bark beetle Ips typographus was chosen for metagenomic sequencing and to scavenge for yet unknown MCOs. Phylogenetic analyses revealed limited microbial diversity and a dominance of Proteobacteria with Morganella being the most prominent bacterial
genus. In addition, eukaryotic organisms like the nematode Mycoletzkya buetschlii – exclusively known to associate with Ips typographus – and a potential symbiotic yeast of the genus Wickerhamomyces were also discovered. A total of 219 Mbp was assembled with a number of 127909 unique predicted ORFs.
Following upload and annotation, six novel enterobacterial MCOs were identified in the Ips typographus dataset in silico. Along with one MCO originating from Duganella sp. HH01, three of these metagenomic candidates were successfully cloned, heterologously expressed in E. coli and characterized regarding their storage, pH and temperature properties. Despite their striking structural resemblance,
these three enzymes displayed huge differences, especially in their reaction to high temperatures. Initially, Ips14138 was thought to be the least promising due to its close phylogenetic relation to CueO, a known MCO playing an important role in copper detoxification in E. coli. Surprisingly, it was discovered to exhibit an exceptional heat stability and a strong thermal activation effect unknown for CueO but previously detected in MCOs from Bacillus origin. Combined with its excellent storage stability, Ips14138 fulfills essential requirements for industrial utilization making it a promising candidate for further research. In conclusion, the gut of the bark beetle Ips typographus not only presents a remarkable source for novel metagenomic MCOs, but especially regarding various metabolic functions, there is still a vast enzymatic
potential waiting to be explored.

Laccasen und laccaseartige Multi-Kupfer-Oxidasen (MCOs) – insbesondere aus Bakterien – bergen ein enormes Stoffwechselpotenzial für eine große Vielfalt an möglichen industriellen Anwendungen. So stellt beispielsweise Lignin einen bedeutenden
Teil der pflanzlichen Biomasse dar, der derzeit im Wesentlichen ungenutzt ist. Die Fähigkeit, dieses Biopolymer effizient nutzen zu können, kann künftig einen erneuerbaren Ersatz für fossile Ressourcen bieten.
Da bei verschiedenen Insekten und insbesondere bei holzfressenden Käfern Laccase- Aktivität im Verdauungssystem nachgewiesen wurde, fiel die Wahl für Metagenomsequenzierung und die Suche nach noch unbekannten MCOs auf den europäischen Fichtenborkenkäfer Ips typographus. Phylogenetische Analysen ergaben eine limitierte mikrobielle Diversität und eine Dominanz der Proteobakterien, wobei
Morganella die bedeutendste bakterielle Gattung darstellte. Darüber hinaus wurden eukaryotische Organismen wie beispielsweise der Nematode Mycoletzkya buetschlii, von dem bekannt ist, dass er ausschließlich mit Ips typographus assoziiert ist, und eine potenziell symbiotische Hefe der Gattung Wickerhamomyces entdeckt.
Insgesamt wurden 219 Mbp zusammengestellt, wobei eine Anzahl von 127909 einzigartigen ORFs vorhergesagt wurden. Nach Upload und Annotation wurden sechs neue enterobakterielle MCOs im Ips typographus-Datensatz in silico identifiziert.
Zusammen mit einer MCO aus Duganella sp. HH01 wurden drei dieser metagenomischen Kandidaten erfolgreich kloniert, heterolog in E. coli exprimiert und hinsichtlich ihrer Lagerungs-, pH- und Temperatureigenschaften charakterisiert. Trotz ihrer auffallenden strukturellen Ähnlichkeit zeigten diese drei Enzyme enorme Unterschiede, insbesondere bei der Reaktion auf hohe Temperaturen. Anfangs wurde Ips14138 aufgrund seiner engen phylogenetischen Verwandtschaft zu CueO, einer bekannten MCO, die eine wichtige Rolle bei der Kupferentgiftung in E. coli spielt, als das am wenigsten vielversprechende Enzym angesehen. Es wurde erstaunlicherweise
entdeckt, dass es eine außergewöhnliche Hitzestabilität und einen starken thermischen Aktivierungseffekt aufwies, der für CueO bisher unbekannt war, aber zuvor bereits bei MCOs aus diversen Bacillus-Spezies festgestellt. Kombiniert mit seiner ausgezeichneten Lagerfähigkeit, erfüllt Ips14138 wesentliche Anforderungen
für eine industrielle Nutzung und ist damit ein ausgezeichneter Kandidat für weitere Forschungsziele.
Zusammenfassend stellt der Datensatz des Borkenkäfers Ips typographus nicht nur eine außergewöhnliche Quelle für neuartige metagenomische MCOs dar, sondern vor allem in Bezug auf verschiedenste Stoffwechselfunktionen wartet darin noch ein
enormes enzymatisches Potenzial darauf, erforscht zu werden.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8526
URN: urn:nbn:de:gbv:18-107547
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Streit, Wolfgang (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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