Application of omics technologies in the discovery of fungal biocatalysts with industrial potential

Abstract

High-throughput sequencing and proteomic technologies have advanced the study of fungal systems, enabling the exploration of genomes, transcriptomes, and proteomes with unprecedented depth. This thesis presents a multi-omics investigation of five fungal isolates with relevance to biomass valorization and synthetic polymer degradation. Genomes were sequenced, structurally and functionally annotated, and used as references for comparative and quantitative analyses. Transcriptomic profiling via RNA-seq and proteomic analysis of secretomes using LC-MS/MS revealed fungal strategies for adapting to complex substrates.Secretome analyses demonstrated the potential of lignocellulolytic fungi for biorefining. Pleurotus pulmonarius produced substrate-specific secretomes, with corn stover secretomes achieving high saccharification efficiency and boosting industrial cellulase cocktails by 40%. Abortiporus biennis responded to corn stover with an induction of high-redox oxidases, and its secretome induced structural and molecular changes in polystyrene.Plastic-related studies highlighted the limited response of A. biennis to polystyrene but identified laccases for future heterologous expression. A multi-omics study of Aspergillus parasiticus MM36 uncovered metabolic pathways for long-chain alkane assimilation and enzymes potentially relevant to polyethylene degradation. Finally, Fusarium oxysporum BPOP18 showed the ability to grow on polyurethane (Impranil), with RNA-seq revealing strong transcriptomic shifts and proteomics identifying cutinase induction during early growth. By integrating genomics, transcriptomics, and proteomics, this thesis provides new insights into fungal metabolism of lignocellulosic and synthetic substrates. The datasets and candidate enzymes identified here expand the resource base for enzyme discovery and support the development of biocatalysts for biomass valorization and polymer biodegradation.

Η ανάπτυξη των τεχνολογιών αλληλούχισης νέας γενιάς και φασματομετρίας μάζας επιτρέπει την εκτεταμένη δημιουργία και μελέτη γονιδιωματικών, μεταγραφομικών και πρωτεομικών δεδομένων. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ομική ανάλυση πέντε μυκητιακών στελεχών με χρήση στην αξιοποίηση βιομάζας και την αποικοδόμηση συνθετικών πολυμερών. Τα γονιδιώματα αλληλουχήθηκαν, αναλύθηκαν δομικά και λειτουργικά και χρησιμοποιήθηκαν ως βάσεις αναφοράς για συγκριτικές και ποσοτικές μελέτες. Η μεταγραφομική ανάλυση μέσω αλληλούχισης RNA (RNA-seq) και η πρωτεομική μελέτη των εξωκυτταρικών μιγμάτων με υγρή χρωματογραφία και φασματομετρία μάζας (LC-MS/MS) ανέδειξαν μηχανισμούς προσαρμογής και απόκρισης των μυκήτων σε σύνθετα υποστρώματα. Οι εξωκυτταρικές αναλύσεις κατέδειξαν το δυναμικό μυκητιακών στελεχών για την αξιοποίηση της φυτικής βιομάζας. Ο Pleurotus pulmonarius παρήγαγε διαφορετικές ομάδες ενζύμων ανάλογα με το διαθέσιμο υπόστρωμα. Το πιό δραστικό εξωκυτταρικό πρωτέομα εντοπίστηκε στις καλλιέργειες που περιείχαν στελέχη αραβοσίτου και είχε συνεργιστική δράση σε εμπορικό σκέυασμα κυτταρινασών ενισχύοντας την απόδοση σακχαροποίησης κατά 40%. Ο Abortiporus biennis ανταποκρίθηκε στα στελέχη αραβοσίτου με επαγωγή οξειδασών υψηλού δυναμικού ενώ το εξωκυτταρικό του πρωτέομα προκάλεσε δομικές και μοριακές τροποποιήσεις σε πολυστυρένιο. Η πρωτεομική μελέτη παρουσία πολυστυρενίου όμως ανέδειξε περιορισμένη απόκριση του A. biennis στο πολυστυρένιο, αλλά λακκάσες που βρίσκονταν σε αφθονία και οι οποίες αποτελούν στόχο για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η μεταγραφομική μελέτη του Aspergillus parasiticus ανέδειξε μεταβολικές οδούς για την αφομοίωση αλκανίων μακράς αλυσίδας και η πρωτεομική μελέτη εντόπισε ένζυμα με πιθανή δράση έναντι του πολυαιθυλενίου. Τέλος, ο Fusarium oxysporum έδειξε ικανότητα ανάπτυξης σε πολυεστερική πολυουρεθάνη (Impranil), με τη μεταγραφομική ανάλυση να καταγράφει ισχυρές μεταβολές στο μεταγραφομικό επίπεδο και την πρωτεομική ανάλυση να εντοπίζει επαγωγή κουτινασών στο πρώιμο στάδιο. Ο συνδυασμός γονιδιωματικών, μεταγραφομικών και πρωτεομικών δεδομένων παρέχει νέες γνώσεις για τον μικροβιακό μεταβολισμό λιγνινοκυτταρινούχων και συνθετικών υποστρωμάτων. Τα σύνολα δεδομένων και τα ένζυμα που αναδείχθηκαν αποτελούν σημαντική βάση για την ανακάλυψη νέων βιοκαταλυτών και την ανάπτυξη ενζυμικών κοκτέιλ με εφαρμογές στη βιοδιύλιση και την αποικοδόμηση συνθετικών πολυμερών.