I investigated an effective way to generate a metagenomic library from DNA prepared from environental samples. The sizes of DNA extracted from environmental samples were usually in the range of 10 to 100 kbp as estimated from $0.4\%$ agarose gel electrophoresis. Because of this small size, a fosmid, rather than BAC, was chosen as a vector. It was found that, for the successful generation of metagenomic library, the selection of DNA with the sized of about 40 kbp was critical and, therefore, a simple agarose gel electrophoresis system was developed to select this size of DNA. By the procedure described in this report, I obtained metagenomic libraries containing 25,000 fosmid clones, which corresponded to 1,000 Mb of metagenomic DNA.
H. K. Lim;Lee, E. H;Kim, J.C.;Park, G. J.;K S. Jang;Park, Y. H.;K Y. Cho;S, W. Lee
Proceedings of the Korean Society of Plant Pathology Conference
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2003.10a
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pp.108.1-108
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2003
Soil metagenome is untapped total microbial genome including that of the majority of unculturable bacteria present in soil. We constructed soil metagenomic library in Escherichia coli using DNA directly extracted from two different soils, pine tree rhizosphere soil and forest topsoil. Metagenomic libraries constructed from pine tree rhizosphere soil and forest topsoil consisted of approximately 33,700 clones and 112,000 clones with average insert DNA size of 35-kb, respectively. Subsequently, we screened the libraries to select clones with antimicrobial activities against Saccharomyces cerevisiae and Agrobacterium tumefaciens using double agar layer method. So far, we have a clone active against S. cerevisiae and a clone active against A. tumefaciens from the forest topsoil library. In vitro mutagenesis and DNA sequence analysis of the antifungal clone revealed the genes involved in the biosynthesis of antimicrobial secondary metabolite. Metagenomic libraries constructed in this study would be subject to search for diverse genetic resources related with useful microbial products.
Zhang, Yuhong;Shi, Pengjun;Liu, Wanli;Meng, Kun;Bai, Yingguo;Wang, Guozeng;Zhan, Zhichun;Yao, Bin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.19
no.9
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pp.888-897
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2009
Lipase diversity in glacier soil was assessed by culture-independent metagenomic DNA fragment screening and confirmed by cell culture experiments. A set of degenerate PCR primers specific for lipases of the hormone-sensitive lipase family was designed based on conserved motifs and used to directly PCR amplify metagenomic DNA from glacier soil. These products were used to construct a lipase fragment clone library. Among the 300 clones sequenced for the analysis, 201 clones encoding partiallipases shared 51-82% identity to known lipases in GenBank. Based on a phylogenetic analysis, five divergent clusters were established, one of which may represent a previously unidentified lipase subfamily. In the culture study, 11 lipase-producing bacteria were selectively isolated and characterized by 16S rDNA sequences. Using the above-mentioned degenerate primers, seven lipase gene fragments were cloned, but not all of them could be accounted for by the clones in the library. Two full-length lipase genes obtained by TAIL-PCR were expressed in Pichia pastoris and characterized. Both were authentic lipases with optimum temperatures of ${\le}40^{\circ}C$. Our study indicates the abundant lipase diversity in glacier soil as well as the feasibility of sequence-based screening in discovering new lipase genes from complex environmental samples.
Vo, Nguyen Xuan Que;Kang, Ho-Jeong;Park, Joon-Hong
Environmental Engineering Research
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v.12
no.5
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pp.231-237
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2007
The microbial eco-physiology has been the vital key of microbial ecological research. Unfortunately, available methods for direct identity of microorganisms and for the investigation of their activity in complicated community dynamics are limited. In this study, metagenomics was considered as a promising functional genomics tool for improving our understanding of microbial eco-physiology. Its potential applications and challenges were also reviewed. Because of tremendous diversity in microbial populations in environment, sequence analysis for whole metagenomic libraries from environmental samples seems to be unrealistic to most of environmental engineering researchers. When a target function is of interest, however, sequence analysis for whole metagenomic libraries would not be necessary. For this case, nucleic acids of active populations of interest can be selectively gained using another cutting-edge functional genomic tool, SIP (stable isotope probing) technique. If functional genomes isolated by SIP can be transferred into metagenomic library, sequence analysis for such selected functional genomes would be feasible because the reduced size of clone library may become adequate for sequencing analysis. Herein, integration of metagenomics with SIP was suggested as a novel functional genomics approach to study microbial eco-physiology in environment.
JI SANG CHUN;KIM DOCKYU;YOON JUNG-HOON;OH TAE-KWANG;LEE CHOONG-HWAN
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.16
no.1
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pp.153-157
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2006
A soil metagenomic library was constructed using an E. coli-fosmid cloning system with environmental DNAs extracted from Kwangreung forest topsoil. We targeted the genes involved in the biosynthesis of bacterial polyketides. Initially, a total of 36 clone pools (10,800 clones) were explored by the PCR-based method using the metagenomic DNAs from each pool and a degenerate primer set, which has been designed based on the highly conserved regions among ketoacyl synthase (KS) domains in actinomycete type I polyketide synthases (PKS Is). Six clone pools were tentatively selected as positive and further examined through a hybridization-based method for selecting a fosmid clone containing PKS I genes. Colony hybridization was performed against fosmid clones from the 6 positive pools, and finally 4 clones were picked out and confirmed to contain the conserved DNA fragment of KS domains. In this study, we present a simple and feasible sorting method for a desired clone from metagenomic libraries.
Finding new antimicrobial activities by functional metagenomics has been shown to depend on the heterologous host used to express the foreign DNA. Therefore, efforts are devoted to developing new tools for constructing metagenomic libraries in shuttle vectors replicatable in phylogenetically distinct hosts. Here we evaluated the use of the Escherichia coli-Bacillus subtilis shuttle vector pHT01 to construct a forest-soil metagenomic library. This library was screened in both hosts for antimicrobial activities against four opportunistic bacteria: Proteus vulgaris, Bacillus cereus, Staphylococcus epidermidis, and Micrococcus luteus. A new antibacterial activity against B. cereus was found upon screening in B. subtilis. The new antimicrobial agent, sensitive to proteinase K, was not active when the corresponding DNA fragment was expressed in E. coli. Our results validate the use of pHT01 as a shuttle vector and B. subtilis as a host to isolate new activities by functional metagenomics.
A metagenomic fosmid library was constructed using genomic DNA isolated from the gut microflora of Hermetia illucens, a black soldier fly. A cellulase-positive clone, with the CS10 gene, was identified by extensive Congo-red overlay screenings for cellulase activity from the fosmid library of 92,000 clones. The CS10 gene was composed of a 996 bp DNA sequence encoding the mature protein of 331 amino acids. The deduced amino acids of CS10 showed 72% sequence identity with the glycosyl hydrolase family 5 gene of Dysgonomonas mossii, displaying no significant sequence homology to already known cellulases. The purified CS10 protein presented a single band of cellulase activity with a molecular mass of approximately 40 kDa on the SDS-PAGE gel and zymogram. The purified CS10 protein exhibited optimal activity at $50^{\circ}C$ and pH 7.0, and the thermostability and pH stability of CS10 were preserved at the ranges of $20{\sim}50^{\circ}C$ and pH 4.0~10.0. CS10 exhibited little loss of cellulase activity against various chemical reagents such as 10% polar organic solvents, 1% non-ionic detergents, and 0.5 M denaturing agents. Moreover, the substrate specificity and the product patterns by thin-layer chromatography suggested that CS10 is an endo-${\beta}$-1,4-glucanase. From these biochemical properties of CS10, it is expected that the enzyme has the potential for application in industrial processes.
KIM JEONG-NYEO;SEO MYUNG-JI;CHO EUN-AH;LEE SANG-JAE;KIM SEONG-BO;CHEIGH CHAN-ICK;PYUN YU-RYANG
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.15
no.5
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pp.1067-1072
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2005
A metagenomic library was constructed using a fosmid vector, and total genomic DNA was extracted directly from soil at Cisolok (hot spring area, Indonesia). This library was composed of 10,214 clones and screened for lipolytic enzyme on tributyrin agar plates. An esterase gene (estMa) was subcloned and sequenced from a positive lipolytic active clone. Esterase EstMa was encoded by a 954-bp open reading frame and showed low ($11-33\%$) amino acid similarity to known esterases. The amino acid sequence analysis demonstrated that the enzyme is a new member of lipolytic enzyme family VI. The estMa gene encodes a preprotein of 317 amino acids with a predicted molecular mass of 34,799 Da. The purified enzyme exhibited optimal activity at $50^{\circ}C$ and pH 6.5. The $K_m,\;and\;V_{max}$ values of EstMa for the hydrolysis of p-nitrophenyl valerate were $45.3\;{\mu}M$ and 4.45 U/mg, respectively.
Useful genes can be Screened from various environments by construction of metagenomic DNA libraries. In this study, water samples were collected from several lakes in mid Korea, and analyzed by T-RFLP to examine diversities of the microbial communities. The crude DNAs r were extracted by the SDS-based freezing-thawing method, and then further purified using an $UltraClean^{TM}$ kit (MoBio, USA). The metagenomic libraries were constructed with the DNAs partially digested with EcoR I, BamH I, and Sac II in Escherichia coli DH 10B using the pBACe3.6 vector. About 44.0 Mb of metagenomic libraries were obtained with average inserts 13-15 kb in size. The bphC genes responsible for degradation of aromatic hydrocarbons via mets-cleavage were identified from the metagenomic libraries by colony hybridization using the bphC specific sequence as a probe. The 2,3-dihydroxybiphenyl (2, 3-DHBP) dioxygenase gene (bphC ), capable of degradation of 2,3-DHBP, was cloned and its nucleotide Sequences analyzed. The genes consisted of 966 and 897 base pairs with an ATG initiation codon and a TGA termination codon. The activity of the 2,3-DHBP dioxygenase was highly expressed to 2,3-DHBP and Showed a broad substrate range to 2,3-DHBP, catechol, 3-methylcatechol and 4-methylcatechol. These results in-dicated that the bphC gene identified from the metagenomes derived from lake water might be useful in the development of a potent strain for degradation of aromatic pollutants.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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