Sugars to medium chain carboxylic acids: shedding light on the microbial black box of chain elongation

Abstract

Microbiomes have benefited humans for as long as humans have existed. In addition to the microbiomes that inhabit the human body, microbiomes have been used to ferment and preserve food and beverages since prehistoric times. As science and technology emerged, microbiomes have been employed for more intricate processes and for treating wastes. Despite humankind’s shared history with microbiomes, underlying drivers ofmicrobiome function, stability, and resilience are still unknown. As humans work to combat global climate change, microbiome-based processes are a potential tool for both reducing greenhouse gas emissions directly and producing chemicals currently derived from fossil fuels. Therefore, improved understanding of microbiome-based conversion processes can help humans reduce impacts on the environment. This work assessed the production of beneficial chemicals through fermentation by self-assembled microbiomes. Three different feedstocks were studied - a mixture of glucose and xylose, glucose, and food waste - for the anaerobic production of mediumchain carboxylic acids (MCCAs). For all feedstocks, the microbial communities that emerged were comprised of only a few abundant taxa contained within the Bacillota and Actinobacteria phyla. So called “chain elongating” organisms that produced MCCAs were identified through metagenomic and metatranscriptomic approaches. These organisms were supported by flanking communities performing simpler fermentations to produce acetate and lactate. In experiments with glucose as the sole carbon source, augmentation with hydrogen gas increased MCCA production. Further, when transitioning from a synthetic medium containing glucose to a real food waste, the abundant taxa remained the same. Lastly, metabolic networks for MCCA production were reconstructed based on evidence from metagenomic and metatranscriptomic analyses and suggest energetic drivers for MCCA production.

Τα μικροβιώματα έχουν ωφελήσει τον άνθρωπο από την απαρχή της ύπαρξής του. Εκτός από τα μικροβιώματα που αποικίζουν το ανθρώπινο σώμα, μικροβιώματα χρησιμοποιούνται για τη ζύμωση και τη συντήρηση τροφίμων και ποτών ήδη από τους προϊστορικούς χρόνους. Με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, τα μικροβιώματα αξιοποιήθηκαν σε ολοένα πιο σύνθετες διεργασίες, καθώς και στην επεξεργασία αποβλήτων. Παρά τη μακρόχρονη συνύπαρξη του ανθρώπου με τα μικροβιώματα, οι υποκείμενοι μηχανισμοί που καθορίζουν τη λειτουργία, τη σταθερότητα και την ανθεκτικότητα των μικροβιακών κοινοτήτων εξακολουθούν να μην είναι πλήρως κατανοητοί. Καθώς η ανθρωπότητα επιδιώκει να αντιμετωπίσει την παγκόσμια κλιματική αλλαγή, οι διεργασίες που βασίζονται σε μικροβιώματα αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση τόσο για την άμεση μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου όσο και για την παραγωγή χημικών ενώσεων που σήμερα προέρχονται από ορυκτές πρώτες ύλες. Ως εκ τούτου, η βελτίωση της κατανόησης των διεργασιών μετατροπής που βασίζονται σε μικροβιώματα μπορεί να συμβάλει στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Η παρούσα εργασία μελέτησε την παραγωγή χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας μέσω ζύμωσης από αυτοσυγκροτούμενες μικροβιακές κοινότητες. Εξετάστηκαν τρεις διαφορετικές πρώτες ύλες — ένα μείγμα γλυκόζης και ξυλόζης, γλυκόζη και υπολείμματα τροφίμων — με στόχο την αναερόβια παραγωγή μεσαίας αλυσίδας καρβοξυλικών οξέων (MCCAs). Ανεξάρτητα από την πρώτη ύλη, οι μικροβιακές κοινότητες που αναπτύχθηκαν αποτελούνταν από περιορισμένο αριθμό κυρίαρχων ταξινομικών ομάδων, οι οποίες ανήκαν στα φύλα Bacillota και Actinobacteria. Μέσω μεταγονιδιωματικών και μετα-μεταγραφωμικών αναλύσεων εντοπίστηκαν οι μικροοργανισμοί που επιτελούν την επιμήκυνση της ανθρακικής αλυσίδας και είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή MCCAs. Οι μικροοργανισμοί αυτοί υποστηρίζονταν από συνοδές μικροβιακές κοινότητες, οι οποίες πραγματοποιούσαν απλούστερες διεργασίες ζύμωσης, παράγοντας οξικό και γαλακτικό οξύ.Σε πειράματα στα οποία η γλυκόζη χρησιμοποιήθηκε ως αποκλειστική πηγή άνθρακα, η προσθήκη αέριου υδρογόνου αύξησε την παραγωγή MCCAs. Επιπλέον, κατά τη μετάβαση από συνθετικό θρεπτικό μέσο που περιείχε γλυκόζη σε πραγματικά υπολείμματα τροφίμων, οι κυρίαρχες μικροβιακές ομάδες παρέμειναν αμετάβλητες. Τέλος, ανακατασκευάστηκαν μεταβολικά δίκτυα για την παραγωγή MCCAs, με βάση τα ευρήματα των μεταγονιδιωματικών και μετα-μεταγραφωμικών αναλύσεων, τα οποία υποδεικνύουν τον ρόλο ενεργειακών παραγόντων στην παραγωγή των MCCAs.