Preparation, structural analysis and prebiotic potential of arabinoxylo-oligosaccharides

Arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS) can be prepared enzymatically from arabinoxylans (AX) and AXOS are known to possess prebiotic potential. Here the structural features of 10 cereal AX were examined. AX were hydrolysed by Shearzyme® to prepare AXOS, and their structures were fully analysed. The prebiotic potential of the purified AXOS was studied in the fermentation experiments with bifidobacteria and faecal microbiota. In AX extracted from flours and bran, high amounts of a-L-Araf units are attached to the b-D-Xylp main chain, whereas moderate or low degree of substitution was found from husks, cob and straw. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy showed that flour and bran AX contain high amounts of a-L-Araf units bound to the O-3 of b-D-Xylp residues and doubly substituted b-D-Xylp units with a-L-Araf substituents at O-2 and O-3. Barley husk and corn cob AX contain high amounts of b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chains, which can also be found in AX from oat spelts and rice husks, and in lesser amounts in wheat straw AX. Rye and wheat flour AX and oat spelt AX were hydrolysed by Shearzyme® (with Aspergillus aculeatus GH10 endo-1,4-b-D-xylanase as the main enzyme) for the production of AXOS on a milligram scale. The AXOS were purified and their structures fully analysed, using mass spectrometry (MS) and 1D and 2D NMR spectroscopy. Monosubstituted xylobiose and xylotriose with a-L-Araf attached to the O-3 or O-2 of the nonreducing end b-D-Xylp unit and disubstituted AXOS with two a-L-Araf units at the nonreducing end b-D-Xylp unit of xylobiose or xylotriose were produced. Xylobiose with b-D-Xylp(1→2)-a-L-Araf(1→3) side chain was also purified. These AXOS were used as standards in further identification and quantification of corresponding AXOS from the hydrolysates in high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) analysis. The prebiotic potential of AXOS was tested in in vitro fermentation experiments. Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703 and B. longum ATCC 15707 utilized AXOS from the AX hydrolysates. Both species released L-arabinose from AXOS, but B. adolescentis consumed the XOS formed, whereas B. longum fermented the L-arabinose released. The third species tested, B. breve ATCC 15700, grew poorly on these substrates. When cultivated on pure AXOS, the bifidobacterial mixture utilized pure singly substituted AXOS almost completely, but no growth was detected with pure doubly substituted AXOS as substrates. However, doubly substituted AXOS were utilized from the mixture of xylose, XOS and AXOS. Faecal microbiota utilized both pure singly and doubly substituted AXOS. Thus, a mixture of singly and doubly substituted AXOS could function as a suitable, slowly fermenting prebiotic substance. This thesis contributes to the structural information on cereal AX and preparation of mono and doubly substituted AXOS from AX. Understanding the utilization strategies is fundamental in evaluating the prebiotic potential of AXOS. Further research is still required before AXOS can be used in applications for human consumption.

Characterization of lignin-modifying enzymes of the selective white-rot fungus Physisporinus rivulosus

White-rot fungi are wood degrading organisms that are able to decompose all wood polymers; lignin, cellulose and hemicellulose. Especially the selective white-rot fungi that decompose preferentially wood lignin are promising for biopulping applications. In biopulping the pretreatment of wood chips with white-rot fungi enhances the subsequent pulping step and substantially reduces the refining energy consumption in mechanical pulping. Because it is not possible to carry out biopulping in industrial scale as a closed process it has been necessary to search for new selective strains of white-rot fungi which naturally occur in Finland and cause selective white-rot of Finnish wood raw-material. In a screening of 300 fungal strains a rare polypore, Physisporinus rivulosus strain T241i isolated from a forest burn research site, was found to be a selective lignin degrader and promising for the use in biopulping. Since selective lignin degradation is apparently essential for biopulping, knowledge on lignin-modifying enzymes and the regulation of their production by a biopulping fungus is needed. White-rot fungal enzymes that participate in lignin degradation are laccase, lignin peroxidase (LiP), manganese peroxidase (MnP), versatile peroxidase (VP) and hydrogen peroxide forming enzymes. In this study, P. rivulosus was observed to produce MnP, laccase and oxalic acid during growth on wood chips. In liquid cultures manganese and veratryl alcohol increased the production of acidic MnP isoforms detected also in wood chip cultures. Laccase production by P. rivulosus was low unless the cultures were supplemented with sawdust and charred wood, the components of natural growth environment of the fungus. In white-rot fungi the lignin-modifying enzymes are typically present as multiple isoforms. In this study, two MnP encoding genes, mnpA and mnpB, were cloned and characterized from P. rivulosus T241i. Analysis of the N-terminal amino acid sequences of two purified MnPs and putative amino acid sequence of the two cloned mnp genes suggested that P. rivulosus possesses at least four mnp genes. The genes mnpA and mnpB markedly differ from each other by the gene length, sequence and intron-exon structure. In addition, their expression is differentially affected by the addition of manganese and veratryl alcohol. P. rivulosus produced laccase as at least two isoforms. The results of this study revealed that the production of MnP and laccase was differentially regulated in P. rivulosus, which ensures the efficient lignin degradation under a variety of environmental conditions.

Responses of soil microbial communities to clonal variation of Norway spruce

In boreal forests, microorganisms have a pivotal role in nutrient and water supply of trees as well as in litter decomposition and nutrient cycling. This reinforces the link between above-ground and below-ground communities in the context of sustainable productivity of forest ecosystems. In northern boreal forests, the diversity of microbes associated with the trees is high compared to the number of distinct tree species. In this thesis, the aim was to study whether conspecific tree individuals harbour different soil microbes and whether the growth of the trees and the community structure of the associated microbes are connected. The study was performed in a clonal field trial of Norway spruce, which was established in a randomized block design in a clear-cut area. Since out-planting in 1994, the spruce clones showed two-fold growth differences. The fast-growing spruce clones were associated with a more diverse community of ectomycorrhizal fungi than the slow-growing spruce clones. These growth performance groups also differed with respect to other aspects of the associated soil microorganisms: the species composition of ectomycorrhizal fungi, in the amount of extraradical fungal mycelium, in the structure of bacterial community associated with the mycelium, and in the structure of microbial community in the organic layer. The communities of fungi colonizing needle litter of the spruce clones in the field did not differ and the loss of litter mass after two-years decomposition was equal. In vitro, needles of the slow-growing spruce clones were colonized by a more diverse community of endophytic fungi that were shown to be significant needle decomposers. This study showed a relationship between the growth of Norway spruce clones and the community structure of the associated soil microbes. Spatial heterogeneity in soil microbial community was connected with intraspecific variation of trees. The latter may therefore influence soil biodiversity in monospecific forests.

Degradation of lignin and other 14C-labelled compounds in compost and soil with an emphasis on white-rot fungi

Puu, ruohokasvit ja näistä tehdyt tuotteet kuten mekaanisesta massasta valmistettu sanomalehtipaperi sisältävät ligniiniä, joka hajoaa yleensä hyvin hitaasti luonnossa. Valkolahosienet hajottavat ligniiniä tehokkaimmin, ja koska niiden tuottamat entsyymit hajottavat myös muita vaikeasti hajoavia yhdisteitä, voidaan valkolahosienten avulla mahdollisesti puhdistaa saastuneita maita. Tässä työssä haluttiin selvittää, säilyttävätkö valkolahosienet (Abortiporus biennis, Bjerkandera adusta, Dichomitus squalens, Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida, Phlebia radiata, Pleurotus ostreatus, Trametes hirsuta ja Trametes versicolor) aktiivisuutensa ja kasvavatko ne maassa. Aktiivisuutta mitattiin seuraamalla sienten synteettisen ligniinin (14C-DHP) hajotuskykyä. T. versicolor (silkkivyökääpä) osoittautui tehokkaimmaksi ligniinin hajottajaksi ja sen pentakloorifenolin (PCP) hajotuskykyä tutkittiin erillisessä kokeessa. Entiset tai pitkään käytössä olleet saha-alueet ovat yhä saastuneet puun käsittelyaineista peräisin olevilla kloorifenoleilla. Biohajoavien muovien kehitystyö sekä kompostoinnin yleistyminen jätteiden käsittelymenetelmänä ovat luoneet tarpeen materiaalien biohajoavuuden määrittämiseen. Euroopan standardisoimisjärjestön (CEN) kontrolloidussa kompostitestissä biohajoavuus määritetään materiaalin hajoamisen aikana muodostuvan hiilidioksidin perusteella. Hiilidioksidin tuotto mitataan sekä näytettä sisältävästä kompostista että kompostista ilman näytettä, ja tällöin oletetaan, että kompostin orgaaninen aines molemmissa komposteissa (tausta) tuottaa yhtä paljon hiilidioksidia. Testin puutteeksi saattaa osoittautua kompostissa tai maassa esiintyvä "priming effect". Tällä tarkoitetaan materiaalin lisäämisen jälkeen esiintyvää epänormaalin suurita tai pientä hiilidioksidin muodostusta, minkä seurauksena testin tulosksena saatava biohajoavuus on virheellinen. Ligniinin hajotessa muodostuu enemmän humusta kuin hiilidioksidia, koska ligniini on humuksen tärkein lähtöaine. Näin ollen ligniiniä sisältävät paperituotteet saattavat testin mukaan vaikuttaa biologisesti hajoamattomilta. Valkolahosienet hajottivat 4-23% ligniinistä hiilidioksidiksi ja T. versicolor 29% PCP:sta. Kompostissa ligniini hajosi hiilidioksidiksi 58°C:ssa huomattavasti vähemmän (8%) kuin lämpötiloissa 35°C ja 50°C (23-24%). Kompostin todennäköisesti tärkeimpien ligniinin hajottajien, termofiilisten sienten, tyypillinen optimilämpötila on 45°C, eivätkä ne ole enää aktiivisia 58°C:ssa. Sekä maassa että kompostissa ligniini sitoutui kuitenkin suurimmaksi osaksi humukseen. Valkolahosienet hajottivat sekä humukseen sitoutunutta ligniiniä että PCP:ia, mutta kompostin sekapopulaatio ei tähän pystynyt, ja ligniiniä sitoutui humukseen yhä enemmän kompostoinnin aikana. T. versicolor hajotti PCP:ia tehokkaasti, eikä se tuottanut myrkyllisiä kloorianisoleja, joita jotkut valkolahosienet saattavat muodostaa kloorifenoleista. Priming effect ilmiötä tutkittiin eri ikäisissä ja kypsyydeltään erilaisissa komposteissa. Kompostit erosvat toisistaan myös hajoamattoman jätteen määrän ja mikrobipopulaation suhteen. Negatiivinen priming effect havaittiin kaikissa epästabiileissa komposteissa (ikä enintään 6 kk), ja sen lisäksi yhdessä näistä komposteista positiivinen priming effect kokeen lopussa. Stabiileissa komposteissa (ikä vähintään 6 kk) ilmiötä ei sen sijaan havaittu. Epästabiileissa komposteissa biohajoavuudelle saadut tulokset eivät siis ole luotettavia. Työn tulosten perusteella valkolahosienet, ja erityisesti T. versicolor, ovat lupaavia saastuneen maan puhdistukseen, joskin sienirihmaston mahdollisuudet säilyä aktiivisena maan alkuperäisen mikrobipopulaation kanssa täytyy vielä selvittää. Kompostin sekapopulaatio, joka ei sisällä valkolahosieniä, hajotti ligniiniä yllättävän tehokkaasti termofiilisille sienille sopivissa lämpötiloissa, vaikka ligniini sitoutuikin pääasiallisesti humukseen. Kompostin kypsyys osoittautui tärkeäksi tekijäksi kontrolloidun kompostitestin onnistumisen kannalta. Priming effect ilmiön välttämiseksi on varmistettava, että testissä käytetty komposti on riittävän kypsä. Kompostien mikrobipopulaation koostumusta kompostoinnin eri vaiheissa tulisi tarkemmin selvittää, koska stabiilien ja epästabiilien kompostien ero aiheutui todennäköisesti populaatioiden rakenteessa vallitsevista eroista. Näin myös priming effect ilmiön syyt voitaisiin selittää paremmin.

Characterization of Actinobacteria Degrading and Tolerating Organic Pollutants

Species of the genera Rhodococcus, Gordonia and Mycobacterium are known as degraders of recalcitrant pollutants. These bacteria are good survivors in harsh environments. Due to such properties these organisms are able to occupy a wide range of environmental niches. The members of these taxa have been suggested as tools for biotechnical applications such as bioremediation and biosynthesis. At the same time several of the species are known as opportunistic human pathogens. Therefore, the detailed characterization of any isolate that has potential for biotechnological applications is very important. This thesis deals with several corynebacterial strains originating from different polluted environments: soil, water-damaged indoor walls, and drinking water distribution systems. A polyphasic taxonomic approach was applied for characterization of the isolates. We found that the strains degrading monoaromatic compounds belonged to Rhodococcus opacus, a species that has not been associated with any health problem. The taxonomic position of strain B293, used for many years in degradation research under different names, was clarified. We assigned it to the species Gordonia polyisoprenivorans. This species is classified under European Biohazard grouping 1, meaning that it is not considered a health hazard for humans. However, there are reports of catheter-associated bacteraemia caused by G. polyisoprenivorans. Our results suggested that the ability of the organism to grow on phthalate esters, used as softeners in medical plastics, may be associated with the colonization of catheters and other devices. In this thesis Mycobacterium lentiflavum, a new emerging opportunistic human pathogen, was isolated from biofilms growing in public drinking water distribution systems. Our report on isolation of M. lentiflavum from water supplies is the second report on this species from drinking water systems, which may thus constitute a reservoir of M. lentiflavum. Automated riboprinting was evaluated for its applicability in rapidly identifying environmental mycobacteria. The technique was found useful in the characterization of several species of rapidly and slowly growing environmental mycobacteria. The second aspect of this thesis refers to characterization of the degradation and tolerance power of several R. opacus, M. murale and G. polyisoprenivorans strains. R. opacus GM-14 utilizes a wide range of aromatic substrates, including benzene, 15 different halobenzenes, 18 phenols and 7 benzoates. This study revealed the high tolerance of R. opacus strains toward toxic hydrophobic compounds. R. opacus GM-14 grew in mineral medium to which benzene or monochlorobenzene was added in amounts of 13 or 3 g l-1, respectively. R. opacus GM-29 utilized toluene and benzene for growth. Strain GM-29 grew in mineral medium with 7 g l-1 of liquid toluene or benzene as the sole carbon source, corresponding to aqueous concentrations of 470 and 650 mg l-1, respectively. Most organic solvents, such as toluene and benzene, due to their high level of hydrophobicity, pass through the bacterial membrane, causing its disintegration. In this thesis the mechanisms of adaptation of rhodococci to toxic hydrophobic compounds were investigated. The rhodococcal strains increased the level of saturation of their cellular fatty acids in response to challenge with phenol, chlorophenol, benzene, chlorobenzene or toluene. The results indicated that increase in the saturation level of cellular fatty acids, particularly that in tuberculostearic acid, is part of the adaptation mechanism of strains GM-14 and GM-29 to the presence of toxic hydrophobic compounds.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Lost in Translation : Translation Mechanisms in Production of Cocksfoot Mottle Virus Proteins

The present study focuses on the translational strategies of Cocksfoot mottle virus (CfMV, genus Sobemovirus), which infects monocotyledonous plants. CfMV RNA lacks the 5'cap and the 3'poly(A) tail that ensure efficient translation of cellular messenger RNAs (mRNAs). Instead, CfMV RNA is covalently linked to a viral protein VPg (viral protein, genome-linked). This indicates that the viral untranslated regions (UTRs) must functionally compensate for the lack of the cap and poly(A) tail. We examined the efficacy of translation initiation in CfMV by comparing it to well-studied viral translational enhancers. Although insertion of the CfMV 5'UTR (CfMVe) into plant expression vectors improved gene expression in barley more than the other translational enhancers examined, studies at the RNA level showed that CfMVe alone or in combination with the CfMV 3'UTR did not provide the RNAs translational advantage. Mutation analysis revealed that translation initiation from CfMVe involved scanning. Interestingly, CfMVe also promoted translation initiation from an intercistronic position of dicistronic mRNAs in vitro. Furthermore, internal initiation occurred with similar efficacy in translation lysates that had reduced concentrations of eukaryotic initiation factor (eIF) 4E, suggesting that initiation was independent of the eIF4E. In contrast, reduced translation in the eIF4G-depleted lysates indicated that translation from internally positioned CfMVe was eIF4G-dependent. After successful translation initiation, leaky scanning brings the ribosomes to the second open reading frame (ORF). The CfMV polyprotein is produced from this and the following overlapping ORF via programmed -1 ribosomal frameshift (-1 PRF). Two signals in the mRNA at the beginning of the overlap program approximately every fifth ribosome to slip one nucleotide backwards and continue translation in the new -1 frame. This leads to the production of C-terminally extended polyprotein, which encodes the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). The -1 PRF event in CfMV was very efficient, even though it was programmed by a simple stem-loop structure instead of a pseudoknot, which is usually required for high -1 PRF frequencies. Interestingly, regions surrounding the -1 PRF signals improved the -1 PRF frequencies. Viral protein P27 inhibited the -1 PRF event in vivo, putatively by binding to the -1 PRF site. This suggested that P27 could regulate the occurrence of -1 PRF. Initiation of viral replication requires that viral proteins are released from the polyprotein. This is catalyzed by viral serine protease, which is also encoded from the polyprotein. N-terminal amino acid sequencing of CfMV VPg revealed that the junction of the protease and VPg was cleaved between glutamate (E) and asparagine (N) residues. This suggested that the processing sites used in CfMV differ from the glutamate and serine (S) or threonine (T) sites utilized in other sobemoviruses. However, further analysis revealed that the E/S and E/T sites may be used to cleave out some of the CfMV proteins.