Searching for Novel Thermostable β-galactosidases

Abstract

[Abstract] β-galactosidases are biotechnologically interesting enzymes for the hydrolysis of lactose and GOS synthesis. The main objective of this work was to analyze the microbial community structure and the functional potential of As Burgas hot spring, focusing on the discovery of novel thermostable β-galactosidases in this thermal ecosystem. A novel thermostable β-galactosidase, named BWbg1, was discovered through functional screening of a metagenomic library from As Burgas water. The high thermal stability displayed by the enzyme, with an optimum temperature of 80 °C and optimum pH close to the pH of milk, coupled with its high GOS yield production, make BWbg1 a very suitable catalyst for the dairy industry. Proteobacteria are the main inhabitants of As Burgas hot spring. The functional analysis reveals the importance and correlation between carbon, nitrogen, sulfur, and hydrogen cycles in As Burgas. From the two β-galactosidases found by sequence annotation, only pTsbg showed hydrolytic activity towards ONPG, but was unable to hydrolyze lactose. The significant differences between As Burgas population and the nearby Muiño da Veiga hot spring are mostly associated with their variability in the geochemical water composition. Temperature and pH are two important factors shaping hot springs’ microbial community, as was determined by comparative analysis with other thermal springs.

[Resumen] Las β-galactosidasas son enzimas biotecnológicamente interesantes para la hidrólisis de lactosa y la síntesis de GOS. El objetivo principal de este trabajo fue analizar la estructura de la comunidad microbiana y el potencial funcional de las aguas termales de As Burgas, centrándose en el descubrimiento de nuevas β-galactosidasas termoestables en este ecosistema termal. Mediante el cribado funcional de una metagenoteca construida a partir de agua de As Burgas se ha descubierto una nueva β-galactosidasa termoestable, denominada BWbg1. La alta estabilidad térmica que muestra la enzima, con una temperatura óptima de 80 °C y un pH óptimo cercano al pH de la leche, junto con su alto rendimiento en la producción de GOS, hacen de BWbg1 un catalizador muy adecuado para la industria láctea. Las proteobacterias son los principales habitantes de las aguas termales de As Burgas. El análisis funcional revela la importancia y correlación entre los ciclos del carbono, nitrógeno, azufre e hidrógeno en As Burgas. De las dos β-galactosidasas detectadas por la anotación de secuencias, sólo pTsbg mostró actividad hidrolítica frente a ONPG, pero fue incapaz de hidrolizar la lactosa. Las diferencias significativas entre la población de As Burgas y la cercana fuente termal de Muiño da Veiga, se asocian principalmente a su variabilidad en la composición geoquímica del agua. La temperatura y el pH son dos factores importantes que perfilan la comunidad microbiana de las aguas termales, como se determinó mediante análisis comparativo con otras fuentes termales.

[Resumo] As β-galactosidasas son encimas biotecnolóxicamente interesantes para a hidrólise da lactosa e a síntese de GOS. O principal obxectivo deste traballo foi analizar a estrutura da comunidade microbiana e o potencial funcional das augas termais das Burgas, centrándose no descubrimento de novas β-galactosidasas termoestables neste ecosistema termal. Mediante o cribado funcional dunha metaxenoteca de auga de As Burgas descubriuse unha nova β-galactosidasa termoestable, chamada BWbg1. A alta estabilidade térmica mostrada polo encima, cunha temperatura óptima de 80 °C e un pH óptimo próximo ao pH do leite, xunto co seu alto rendemento na produción de GOS, fan do BWbg1 un catalizador moi axeitado para a industria láctea. As proteobacterias son os principais habitantes das augas termais das Burgas. O analise funcional revela a importancia e correlación entre os ciclos de carbono, nitróxeno, xofre e hidróxeno nas Burgas. Das dúas β-galactosidasas detectadas por anotación de secuencia de contigs, só pTsbg mostrou actividade hidrolítica contra ONPG, pero non foi capaz de hidrolizar a lactosa. As diferenzas significativas entre a poboación das Burgas e a fonte termal próxima de Muíño da Veiga están asociadas principalmente á súa variabilidade na composición xeoquímica da auga. A temperatura e o pH son dous factores importantes que configuran a comunidade microbiana das augas termais, como se determinou mediante análise comparativa con outras augas termais.