1-28: System biology analysis of cattle rumen as a model natural biomass utilization system

Tuesday, May 1, 2012
Napoleon Ballroom C-D, 3rd fl (Sheraton New Orleans)
Shangxian Xie1, Weibing Shi1, Yixiang Zhang1, Peng Gao1, Su Sun1, Bill Pinchak2, Susie Y. Dai3 and Joshua S. Yuan1, (1)Department of Plant Pathology and Microbiology, Texas A&M University, College Station, TX, (2)Agrilife Vernon Center, Texas A&M University, Vernon, TX, (3)Office of the Texas State Chemist, Texas A&M University, College Station, TX
We have recently carried out comprehensive system biology analysis of cattle rumen microbiome to study the molecular mechanisms of biomass deconstruction and utilization. The study includes four treatments 

of high fiber to low fiber in the treatments in a 72 day feeding trial. Metagenome sequencing was first carried out to derive the gene models for proteomics data search. MudPIT-based shot-gun proteomics and 

enzyme assays were carried out to study biomass degradation mechanisms. The results highlighted that microbial diversity and enzyme profile change dramatically in response to the feeding content. Further 

cluster analysis and protein co-regulatory network modeling of shot-gun proteomics data revealed that several groups of enzymes are coordinatively regulated in response to the high fiber biomass feeding. The 

enzyme expression pattern correlates with the general enzyme activity in the rumen content. The co-regulatory network has highlighted the mechanisms for biomass degradation and the information has been 

exploited to guide the reverse design of enzyme mixture and microbial strains. Based on the network modeling, we have cloned and characterized multiple enzymes, and developed the reverse design using 

de novo enzyme mixture accordingly for efficient biomass utilization. Furthermore, we transformed several key cellullolytic and hemicellulytic enzymes to Saccharomyces cerevisiae to reduce enzyme load and 

potentially enable a semi-CBP process for biofuel production. Overall, the study has revealed that system biology analysis of model natural biomass utilization systems like cattle rumen can serve as an 

effective approach to guide the reverse design of enzyme mixtures, microbial strains, and potentially biorefinery processes.

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