Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3296
Authors: Handel, Steffen
Title: Beschreibung neuer Hefearten aus dem Termitendarm und Charakterisierung einer Xylanase von einer symbiotischen Hefe
Online publication date: 16-Feb-2017
Language: german
Abstract: Die mikrobiellen Darmsymbionten von Termiten produzieren auch Cellulasen und Hemicellulasen. Diese unterstützen den Wirt beim Abbau von Lignocellulose. Die Hemicellulasen der Termitensymbionten sind, wie auch die Hefesymbionten, weitestgehend unerforscht. Neuartige robuste Xylanasen sind für die Produktion von Bioethanol aus Weizenstroh von Interesse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sieben lignocellulolytische Hefearten aus dem Darm von Termiten und einer Schabe isoliert und identifiziert. Die Persistenz der Hefen Apiotrichum mycotoxinivorans, Candida tropicalis und Sugiyamaella mastotermitis sp. nov. im Darm der Termite Mastotermes darwiniensis wurde bestätigt. Alle drei Hefearten zeigten Ethanoltoleranz. Candida tropicalis betrieb eine alkoholische Gärung und Sugiyamaella mastotermitis produzierte Ethanol. Der Darm von Mastotermes darwiniensis enthielt neben 11 mM Acetat bis zu 11 mM Ethanol. Dies ist der erste Ethanolnachweis im Termitendarm. Die Hypothese einer weiten Verbreitung von Hefen im Darm von Termiten konnte durch die vorliegende Arbeit unterstützt werden. 13 Hefearten aus Termitendärmen verschiedener Spezies wurden in Reinkultur isoliert. Mindestens vier davon waren konstant mit dem Termitendarm assoziiert. Sechs Arten hatten eine lignocellulolytische Aktivität. Von den zwei neuen Arten Sugiyamaella mastotermitis und Papiliotrema odontotermitis wurden Erstbeschreibungen angefertigt. Beide wuchsen bei ungewöhnlich hohen Temperaturen (40 °C, 35 °C). Eine Rolle für den Wirt bei der Xylanspaltung und der Vitaminsynthese wird vermutet. Der Hefestamm Saitozyma flava OO2 wurde als guter Xylanaseproduzent identifiziert. Dessen Endoxylanase „Xyl1“ der Glycosid-Hydrolasefamilie 11 (GHF 11) konnte aufgereinigt und biochemisch charakterisiert werden. Das Enzym bestand aus einer einzigen Domäne. Das Molekulargewicht von Xyl1 war typisch für GHF11-Xylanasen (20,4 kDa), ebenso wie der isolelektrische Punkt (pH 8,61), die Tertiärstruktur (β-Biskuitrolle) und die Abwesenheit von Nebenaktivitäten. Die Endprodukte waren Xylobiose und Xylotriose. Ein 3D-Homologie-modell auf der strukturellen Basis der Aspergillus niger-Xylanase XYNA wurde angefertigt und deutete auf eine hohe Konservierung des aktiven Zentrums hin. Ein Vergleich mit der homologen Xylanase CfXYN1 aus dem Isolat Saitozyma flava I-11 wurde angefertigt. Die Xylanase Xyl1 zeigte eine hohe Aktivität und eine leicht überdurchschnittliche Substrataffinität. Xyl1 hatte eine Toleranz gegen Furfural, 5-Hydroxymethylfurfural und Ethanol. Die Hemmung durch Glucose und Cellobiose war schwach. Xylose und L-Arabinose hatten keine Hemmwirkung. Xylobiose aktivierte die Xylanspaltung (Optimum: 17,7 mM). Die Xylanase Xyl1 eignet sich zum Einsatz in der Bioethanolproduktion und die gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Beitrag zur mikrobiellen Ökologie des Termitendarmes.
The microbial symbionts of termites produce cellulases and hemicellulases in addition to other enzymes. Cellulases and hemicellulases support the lignocellulose degradation in the host's gut. The hemicellulases of the termites' symbionts, and also the yeast symbiosis, need further emphasis. New and robust xylanases are important for the production of second generation biofuels, e.g. from wheat straw. As part of this work, seven lignocellulolytic yeast species from the gut of termites and of a cockroach were isolated and identified. The persistence of the yeasts Apiotrichum mycotoxinivorans, Candida tropicalis and Sugiyamaella mastotermitis sp. nov. in the gut of the lower termite Mastotermes darwiniensis was verified. All three yeast species showed an unusual tolerance against ethanol. Candida tropicalis conducted an alcoholic fermentation and Sugiyamaella mastotermitis sp. nov. produced ethanol. The gut of Mastotermes darwiniensis contained about 11 mM ethanol, next to 11 mM acetate. Ethanol was not found in the gut of a termite until now. The hypothesis of a wide distribution of yeasts in the gut of termites is being supported by this work. 13 yeast species from the guts of different termites were identified. At least four yeast species were persistent in the termites' gut. Six yeast species were lignocellulolytic. The two novel yeast species Sugiyamaella mastotermitis and Papiliotrema odontotermitis were characterized. Both grew at uncommonly high temperatures (40 °C, 35 °C). A possible role for the host regarding the utilization of xylan or the production of vitamins is hypothesized. The yeast strain Saitozyma flava OO2 has been identified as a good xylanase producer. Its endoxylanase “Xyl1” of the glycoside hydrolase family 11 (GHF 11) was purified and biochemically characterized. The enzyme consisted of a single domain. The molecular weight of Xyl1 was typical for GHF 11 xylanases (20.4 kDa), as well as the isoelectric point (pH 8.61), the tertiary structure (β-jellyroll fold) and the absence of side activities. The end products were xylobiose and xylotriose. A 3D homology model was created on the structural basis of the Aspergillus niger xylanase XYNA. The model pointed to a high conservation of the active site. The xylanase was compared to a homologue xylanase of the isolate Saitozyma flava I-11. The xylanase Xyl1 showed a high activity and a substrate affinity which was slightly above average. The xylanase had a tolerance against furfural, 5-hydroxymethylfurfural and ethanol. The inhibition by glucose and cellobiose was weak. Xylose and L-arabinose showed no inhibitory effect. Xylobiose activated the cleavage of xylan (optimum: 17.7 mM). The xylanase is suitable for use in bioethanol production and the gained knowledge is an important contribution about the microbial ecology of the termites' gut.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3296
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000010080
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: IV, 122 Blätter
Appears in collections:JGU-Publikationen

Files in This Item:
  File Description SizeFormat
Thumbnail
100001008.pdf11.59 MBAdobe PDFView/Open