Comparative and functional genome analysis of fungi for development of the protein production host Trichoderma reesei

Filamentous fungi of the subphylum Pezizomycotina are well known as protein and secondary metabolite producers. Various industries take advantage of these capabilities. However, the molecular biology of yeasts, i.e. Saccharomycotina and especially that of Saccharomyces cerevisiae, the baker's yeast, is much better known. In an effort to explain fungal phenotypes through their genotypes we have compared protein coding gene contents of Pezizomycotina and Saccharomycotina. Only biomass degradation and secondary metabolism related protein families seem to have expanded recently in Pezizomycotina. Of the protein families clearly diverged between Pezizomycotina and Saccharomycotina, those related to mitochondrial functions emerge as the most prominent. However, the primary metabolism as described in S. cerevisiae is largely conserved in all fungi. Apart from the known secondary metabolism, Pezizomycotina have pathways that could link secondary metabolism to primary metabolism and a wealth of undescribed enzymes. Previous studies of individual Pezizomycotina genomes have shown that regardless of the difference in production efficiency and diversity of secreted proteins, the content of the known secretion machinery genes in Pezizomycotina and Saccharomycotina appears very similar. Genome wide analysis of gene products is therefore needed to better understand the efficient secretion of Pezizomycotina. We have developed methods applicable to transcriptome analysis of non-sequenced organisms. TRAC (Transcriptional profiling with the aid of affinity capture) has been previously developed at VTT for fast, focused transcription analysis. We introduce a version of TRAC that allows more powerful signal amplification and multiplexing. We also present computational optimisations of transcriptome analysis of non-sequenced organism and TRAC analysis in general. Trichoderma reesei is one of the most commonly used Pezizomycotina in the protein production industry. In order to understand its secretion system better and find clues for improvement of its industrial performance, we have analysed its transcriptomic response to protein secretion stress conditions. In comparison to S. cerevisiae, the response of T. reesei appears different, but still impacts on the same cellular functions. We also discovered in T. reesei interesting similarities to mammalian protein secretion stress response. Together these findings highlight targets for more detailed studies.

Monissa elintarvike-, kangas-, puunjalostus- ja energiateollisuuden prosesseissa tarvitaan entsyymejä. Näillä muunnellaan biomassan ominaisuuksia, esimerkiksi juoksutetaan juustoa, valkaistaan farkkuja tai paperia. Entsymaattinen käsittely on usein ympäristöystävällisempää kuin vastaava käsittely kemikaaleilla. Homesieniä käytetään entsyymien ja muiden proteiinien tuottamiseen. Proteiinit voivat olla peräisin myös muista eliöistä, esimerkiksi kasveista tai nisäkkäistä. Trichoderma reesei on trooppinen home, joka on tunnettu proteiinin tuottokyvystään ja sitä käytetään laajasti Suomessa ja muualla maailmassa. Tässä työssä on vertailtu home- ja hiivasienten perimiä laskennallisin metodein. Hiivoilla on puolet pienemmät perimät kuin homeilla ja ne tuottavat vähemmän proteiineja. Tehdyn vertailun perusteella ymmärrämme paremmin sieniperimien suhteita sienten havaittaviin ominaisuuksiin eli ilmiasuun. Onnistunut sienten perimän muuntelu niiden tuotto ominaisuuksien parantamiseksi edellyttää perimän ja ilmiasun suhteiden yksityiskohtaista ymmärtämistä. Perimässä oleva tieto muuttuu eliöiden ominaisuuksiksi monen välivaiheen kautta. Siksi pelkän perimän laskennallisen analyysin pohjalta on vaikea päätellä miten eliön perimää tulisi muunnella sen ominaisuuksien parantamiseksi. Perimä ilmentyy eri elinolosuhteissa eri tavoin ja ilmentymisen havainnoiminen on yksi tärkeimpiä tapoja tutkia eliön perimän ja ilmiasun suhdetta. Tässä työssä on kehitetty niin laskennallisia kuin laboratoriometodeja ilmentymisen tutkimiseen ja testattu niiden soveltuvuutta T. reesei:lle. Lisäksi T. reesei:n perimän ilmentymistä tutkittiin proteiinin tuoton kannalta kiinnostavissa olosuhteissa ja uusia perimän ilmentymisen muutoksia havaittiin. Ne saattavat osittain selittää homeiden erinomaista proteiinin tuottokykyä.