Analisi Proteomica del Metabolismo della Cellulosa in Clostridium cellulovorans

In recent years, the progressive depletion of petroleum and environmental concern on extensive use of fossil fuels have promoted to look over the biofuels as alternative energy. The biological production of fuels, such as ethanol and butanol, can be obtained using solventogenic microbes, e.g. in a process known as ABE (acetone-butanol-ethanol) fermentation. The disadvantages of this process are the low product yield and the use of expensive substrates, in competition with human food supply. A raw material as lignocellulose from agricultural residues, energy crops and municipal solid waste provides an abundant and cheap alternative carbon source. However, it is recalcitrant to microbial degradation and must therefore undergo extensive pretreatment to release the monomeric sugar units used by biofuel-producing microbes. These pretreatment steps can be reduced by using microbes such as Clostridium cellulovorans that naturally digest lignocellulose. The mainly fermentation products of its metabolism are H2, CO2, acetate, butyrate, formate, lactate and ethanol, but not butanol. The improvements in understanding of the C. cellulovorans metabolism can guide the rational design of the metabolic engineering strategies able to develop strains catalyzing single-step production of cellulosic biofuels, that is consolidated bioprocessing. For this purpose, in this work a comparative soluble proteome analysis of C. cellulovorans grown on either microcrystalline cellulose or glucose, as stimulated and control condition, respectively, was performed by gel-free/label-free mass spectrometry. Moreover, C. cellulovorans behaviour on cellulose-containing medium, as the sole carbon source, was studied, in order to determine the main fermentation parameters, such as growth rate, biomass yield and substrate consumption.

Negli ultimi anni, la progressiva deplezione delle risorse petrolifere e le relative preoccupazioni ambientali hanno promosso un interesse verso i biocarburanti, come fonte di energia alternativa. La produzione biologica di carburanti, come etanolo e butanolo, può essere ottenuta usando microrganismi solventogenici, ad esempio, in un processo noto come fermentazione ABE (acetone-butanolo-etanolo). Gli svantaggi di questo processo sono la bassa resa in prodotti e l'uso di substrati costosi, i quali sono in competizione con l'alimentazione umana. Una materia prima come la lignocellulosa, derivante da residui agricoli, colture energetiche e rifiuti solidi urbani, fornisce una abbondante ed economica fonte di carbonio alternativa. Tuttavia, la lignocellulosa è recalcitrante alla biodegradazione e richiede estensivi pretrattamenti, al fine di rilasciare monosaccaridi utilizzati dai microrganismi produttori di biocarburanti. La fase di pretrattamento può essere ridotta utilizzando microrganismi, come Clostridium cellulovorans, il quale degrada naturalmente la lignocellulosa. I principali prodotti del suo metabolismo sono H2, CO2, acetato, butirrato, formiato, lattato and etanolo, ma non butanolo. Progressi nella comprensione del metabolismo di C. cellulovorans possono guidare lo sviluppo di strategie di ingegneria metabolica, al fine di creare ceppi capaci sia di idrolizzare la lignocellulosa, sia di produrre biocarburanti, in un processo noto come consolidated bioprocessing. A tale scopo, in questo lavoro è stata eseguita una analisi comparativa della frazione solubile del proteoma di C. cellulovorans, cresciuto in cellulosa o glucosio, attraverso un approccio di spettrometria di massa del tipo gel-free/label-free. Inoltre, è stato studiato il comportamento di C. cellulovorans in un terreno contenete cellulosa come unica fonte di carbonio, al fine di determinare i principali parametri di fermentazione, come la velocità di crescita, la resa in biomassa e il consumo di substrato.