ABSTRACT The Pseudomonas putida group in the Gammaproteobacteria has been intensively studied for bioremediation and plant growth promotion. Members of this group have recently emerged as promising hosts to convert intermediates derived from plant biomass to biofuels and biochemicals. However, most strains of P. putida cannot metabolize pentose sugars derived from hemicellulose. Here we describe three isolates that provide a broader view of the pentose sugar catabolism in the P. putida group. One of these isolates clusters with the well-characterized P. alloputida KT2440 (strain BP6); the second isolate clustered with plant growth-promoting strain P. putida W619 (strain M2), while the third isolate represents a new species in the group (strain BP8). Each of these isolates possessed homologous genes for oxidative xylose catabolism ( xylDXA ) and a potential xylonate transporter. Strain M2 grew on arabinose and had genes for oxidative arabinose catabolism ( araDXA ). A CRISPRi system was developed for strain M2 and identified conditionally essential genes for xylose growth. A glucose dehydrogenase was found to be responsible for initial oxidation of xylose and arabinose in strain M2. These isolates have illuminated inherent diversity in pentose catabolism in the P. putida group and may provide alternative hosts for biomass conversion. Originality-Significance Statement Members of the Pseudomonas putida group are intensively studied for their role in plant growth promotion and biomass conversion. Despite this interest, the scope of pentose oxidation, key sugars in plant biomass, in this group is not known. Here, we report targeted isolation of members of the P. putida group that grow by xylose and arabinose oxidation. Using a combined genomic and proteomic approach, we identify gene products involved in pentose oxidation and identify conditionally essential genes for xylose oxidation using a CRISPRi gene repression approach. This work describes a targeted isolation and analysis strategy that may applied for many microbial groups of industrial and agricultural interest.

Abstract Plant cell walls are interwoven structures recalcitrant to degradation. Both native and adapted microbiomes are particularly effective at plant cell wall deconstruction. Studying these deconstructive microbiomes provides an opportunity to assess microbiome performance and relate it to specific microbial populations and enzymes. To establish a system assessing comparative microbiome performance, parallel microbiomes were cultivated on sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) from compost inocula. Biomass loss and biochemical assays indicated that these microbiomes diverged in their ability to deconstruct biomass. Network reconstructions from time-dependent gene expression identified key deconstructive groups within the adapted sorghum-degrading communities, including Actinotalea, Filomicrobium, and Gemmanimonadetes populations. Functional analysis of gene expression demonstrated that the microbiomes proceeded through successional stages that are linked to enzymes that deconstruct plant cell wall polymers. This combination of network and functional analysis highlighted the importance of celluloseactive Actinobacteria in differentiating the performance of these microbiomes.

Economical conversion of lignocellulosic biomass into biofuels and bioproducts is central to the establishment of a robust bioeconomy. This requires a conversion host that is able to both efficiently assimilate the major lignocellulose-derived carbon sources and divert their metabolites toward specific bioproducts. In this study, the carotenogenic yeast Rhodosporidium toruloides was examined for its ability to convert lignocellulose into two non-native sesquiterpenes with biofuel (bisabolene) and pharmaceutical (amorphadiene) applications. We found that R. toruloides can efficiently convert a mixture of glucose and xylose from hydrolyzed lignocellulose into these bioproducts, and unlike many conventional production hosts, its growth and productivity were enhanced in lignocellulosic hydrolysates relative to purified substrates. This organism was demonstrated to have superior growth in corn stover hydrolysates prepared by two different pretreatment methods, one using a novel biocompatible ionic liquid (IL) choline α-ketoglutarate, which produced 261 mg/L of bisabolene at bench-scale, and the other using an alkaline pretreatment, which produced 680 mg/L of bisabolene in a high gravity fed-batch bioreactor. Interestingly, R. toruloides was also observed to assimilate p-coumaric acid liberated from acylated grass lignin in the IL hydrolysate, a finding we verified with purified substrates. R. toruloides was also able to consume several additional compounds with aromatic motifs similar to lignin monomers, suggesting that this organism may have the metabolic potential to convert depolymerized lignin streams alongside lignocellulosic sugars. This study highlights the natural compatibility of R. toruloides with bioprocess conditions relevant to lignocellulosic biorefineries and demonstrates its ability to produce non-native terpenes.

Plant biomass is an attractive source of renewable carbon for conversion to biofuels and bio-based chemicals. Conversion strategies often use a fraction of the total biomass, focusing on sugars from cellulose and hemicellulose. Strategies that use plant components such as plant-derived aromatics and amino acids have the potential to improve the efficiency of overall biomass conversion. Pseudomonas putida is a promising host for biomass conversion for its ability to metabolize a wide variety of organic compounds, including aromatics derived from lignin. P. putida was engineered to produce medium chain methyl ketones, which are promising diesel blendstocks and potential platform chemicals, from glucose and lignin-related aromatics, 4-hydroxybenzoate (4-HB) and protocatechuate (PCA). Unexpectedly, P. putida methyl ketone production was enhanced 2-to 5-fold compared to sugar controls when Arabidopsis thaliana hydrolysates derived from engineered plants that overproduce 4-HB and PCA, while E. coli production was lowered in these hydrolysates. This enhancement was more pronounced (~7-fold increase) with hydrolysates derived from non-engineered switchgrass (Panicum virgatum L.) suggesting it did not arise from overproduction of 4-HB and PCA. Global proteomic analysis of the methyl ketone-producing P. putida suggested that plant-derived amino acids may be the source of this enhancement. Mass spectrometry-based measurements of plant-derived amino acids demonstrated a high correlation between methyl ketone production and amino acid concentration in plant hydrolysates. Amendment of glucose-containing minimal media with a defined mixture of amino acids similar to those found in the hydrolysates studied led to a 9-fold increase in methyl ketone titer (1.1 g/L).

There is strong interest in the valorization of lignin derived from plant biomass to produce valuable products; however, the structural complexity of this biopolymer has been a major bottleneck to conversion. Chemical pretreatment liberates soluble fractions of lignin that may be upgraded by biological conversion. Here, ionic liquid pretreatment was employed to obtain soluble aromatic-rich fractions from sorghum, which were converted by Pseudomonas putida KT2440, a promising host for bioconversion of aromatics derived from lignin. Growth studies and mutational analysis demonstrated that P. putida growth on these soluble lignin-derived fractions, referred to as lignolysate, was dependent on aromatic monomers derived from lignin (p-coumarate and ferulate), but other, unknown factors in the lignolysate contributed to growth. Proteomic and metabolomic analyses provided evidence that these unknown factors were amino acids and residual ionic liquid. Proteomic measurements indicated a coordinated response in which these substrates were catabolized simultaneously. A cholinium catabolic pathway was identified and deletion of five genes in the pathway abrogated the ability of P. putida to grow on cholinium as a sole carbon source. This work demonstrates that lignolysates obtained through biomass pretreatment contain multiple substrates and conversion strategies for lignin-derived should take this complexity into account.

Rhodosporidium toruloides is a promising host for the production of bioproducts from lignocellulosic biomass. A key prerequisite for efficient pathway engineering is the availability of robust genetic tools and resources. However, there is a lack of characterized promoters to drive expression of heterologous genes for strain engineering in R. toruloides. Our data describes a set of native R. toruloides promoters, characterized over time in four different media commonly used for cultivation of this yeast. The promoter sequences were selected using transcriptional analysis and several of them were found to drive expression bidirectionally. We measured promoter expression strength by flow cytometry using a dual fluorescent reporter system. From these analyses, we found a total of 20 constitutive promoters (12 monodirectional and 8 bidirectional) of potential value for genetic engineering of R. toruloides. We present a list of robust and constitutive, native promoters to facilitate genetic engineering of R. toruloides. This set of thoroughly characterized promoters significantly expands the range of engineering tools available for this yeast and can be applied in future metabolic engineering studies.

The basidomycete yeast Rhodosporidium toruloides (a.k.a. Rhodotorula toruloides) accumulates high concentrations of lipids and carotenoids from diverse carbon sources. It has great potential as a model for the cellular biology of lipid droplets and for sustainable chemical production. We developed a method for high-throughput genetics (RB-TDNAseq), using sequence-barcoded Agrobacterium tumefaciens T-DNA insertions into the R. toruloides genome. We identified 1337 putative essential genes with low T-DNA insertion rates. We functionally profiled genes required for fatty acid catabolism and lipid accumulation, validating results with 35 targeted deletion strains. We found that both mitochondrial and peroxisomal enzymes were required for growth on fatty acids, with different peroxisomal enzymes required on different fatty acids. We identified a high-confidence set of 150 genes affecting lipid accumulation, including genes with predicted function in signaling cascades, gene expression, protein modification and vesicular trafficking, autophagy, amino acid synthesis and tRNA modification, as well as genes of unknown function. These results greatly advance our understanding of lipid metabolism in this oleaginous species, identify key biological processes to be further explored and optimized for production of lipid-based bioproducts, and demonstrate a general approach for barcoded mutagenesis that should enable functional genomics in diverse fungi.

Background: Understanding how fungi degrade lignocellulose is a cornerstone of improving renewables-based biotechnology, in particular for the production of hydrolytic enzymes. Considerable progress has been made in investigating fungal degradation during time-points where CAZyme expression peaks. However, a robust understanding of the fungal survival strategies over its life time on lignocellulose is thereby missed. Here we aimed to uncover the physiological responses of the biotechnological workhorse and enzyme producer Aspergilllus niger over its life time to six substrates important for biofuel production. Results: We analysed the response of A. niger to the feedstock Miscanthus and compared it with our previous study on wheat straw, alone or in combination with hydrothermal or ionic liquid feedstock pretreatments. Conserved (substrate-independent) metabolic responses as well as those affected by pretreatment and feedstock were identified via multivariate analysis of genome-wide transcriptomics combined with targeted transcript and protein analyses and mapping to a metabolic model. Initial exposure to all substrates increased fatty acid beta-oxidation and lipid metabolism transcripts. In a strain carrying a deletion of the ortholog of the Aspergillus nidulans fatty acid beta-oxidation transcriptional regulator farA, there was a reduction in expression of selected lignocellulose degradative CAZyme-encoding genes suggesting that beta-oxidation contributes to adaptation to lignocellulose. Mannan degradation expression was wheat straw feedstock-dependent and pectin degradation was higher on the untreated substrates. In the later life stages, known and novel secondary metabolite gene clusters were activated, which are of high interest due to their potential to synthesize bioactive compounds. Conclusion: In this study, which includes the first transcriptional response of Aspergilli to Miscanthus, we highlighted that life time as well as substrate composition and structure (via variations in pretreatment and feedstock) influence the fungal responses to lignocellulose. We also demonstrated that the fungal response contains physiological stages that are conserved across substrates and are typically found outside of the conditions with high CAZyme expression, as exemplified by the stages that are dominated by lipid and secondary metabolism.

Abstract Lignin is the second most abundant carbon polymer on earth and despite having more fuel value than cellulose, it currently is considered a waste byproduct in many industrial lignocellulose applications. Valorization of lignin relies on effective and green methods of delignification, with a growing interest in the use of microbes. Here we investigate the physiology and lignin biotransformation mechanisms of the novel facultative anaerobic bacterium, Tolumonas lignolytica BRL6-1, under anoxic conditions. Physiological and biochemical changes were compared between cells grown anaerobically in either lignin-amended or unamended conditions. In the presence of lignin, BRL6-1 had a higher biomass and shorter lag phase compared to unamended conditions, and 14% of the proteins determined to be significantly higher in abundance by log 2 fold-change of 2 or greater were related to Fe(II) transport in early exponential phase. Ferrozine assays of the supernatant (<10 kDa fraction) confirmed that Fe(III) was bound to lignin and reduced to Fe(II) only in the presence of BRL6-1, suggesting redox activity by the cells. LC-MS/MS analysis of the secretome showed an extra band at 20 kDa in lignin-amended conditions. Protein sequencing of this band identified a protein of unknown function with homology to enzymes in the radical SAM superfamily. Expression of this protein in lignin-amended conditions suggests its role in radical formation. From our findings, we suggest that BRL6-1 is using a protein in the radical SAM superfamily to interact with the Fe(III) bound to lignin and reducing it to Fe(II) for cellular use, increasing BRL6-1 yield under lignin-amended conditions. This interaction potentially generates organic free radicals and causes a radical cascade which could modify and depolymerize lignin. Further research should clarify the extent to which this mechanism is similar to previously described aerobic chelator-mediated Fenton chemistry or radical producing lignolytic enzymes, such as lignin peroxidases, but under anoxic conditions.

Abstract Corynebacterium glutamicum is an ideal microbial chassis for the production of valuable bioproducts including amino acids and next-generation biofuels. Here we resequence engineered isopentenol (IP) producing C. glutamicum BRC-JBEI 1.1.2 strain and assess differential transcriptional profiles using RNA sequencing under industrially relevant conditions including scale transition and compare the presence vs . absence of an ionic liquid, cholinium lysinate ([Ch][Lys]). Analysis of the scale transition from shake flask to bioreactor with transcriptomics identified a distinct pattern of metabolic and regulatory responses needed for growth in this industrial format. These differential changes in gene expression corroborate altered accumulation of organic acids and bioproducts, including succinate, acetate, and acetoin that occur when cells are grown in the presence of 50mM [Ch][Lys] in the stirred-tank reactor. This new genome assembly and differential expression analysis of cells grown in a stirred tank bioreactor clarify the cell response of a C. glutamicum strain engineered to produce IP.