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.
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.
Molecular ecological studies of microbial communities revealed that only tiny fraction of total microorganisms in nature have been identified and characterized, because the majority of them have not been cultivated. A concept, metagenome, represents the total microbial genome in natural ecosystem consisting of genomes from both culturable microorganisms and viable but non-culturable bacteria. The construction and screening of metagenomic libraries in culturable bacteria constitute a valuable resource for obtaining novel microbial genes and products. Several novel enzymes and antibiotics have been identified from the metagenomic approaches in many different microbial communities. Phenotypic analysis of the introduced unknown genes in culturable bacteria could be an important way for functional genomics of unculturable bacteria. However, estimation of the number of clones required to uncover the microbial diversity from various environments has been almost impossible due to the enormous microbial diversity and various microbial population structure. Massive construction of metagenomic libraries and development of high throughput screening technology should be necessary to obtain valuable microbial resources. This paper presents the recent progress in metagenomic studies including our results and potential of metagenomics in plant pathology and agriculture.
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.
Traditional screening techniques have missed up to 99% of microbial resources existing in the nature. Strategies of direct cloning of environmental DNAs comprising tine genetic blueprints of entire microbial metagenomes provide vastly more genetic information than is contained in the culturable. Therefore, one way to screening the useful gene in a variety of environments is the construction of metagenomic DNA library. In this study, the water samples were collected from Daecheong Reservoir in the mid Korea, and analyzed by T-RFLP to examine the diversity of the microbial communities. The crude DNAs were extracted by 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 EcoRI, BamHI, and SacII in Escherichia coli DH10B using the pBACe3.6 vector. About 14.0 Mb of metagenomic libraries were obtained with average inserts 13 ${\sim}$ 15 kb in size. The genes responsible for degradation of 1, 2-dichloroethane (1, 2-DCE) via hydrolytic dehalogenation were identified from the metagenomic libraries by colony hybridization. The 1, 2-dichloroethane dehalogenase gene (dhlA) was cloned and its nucleotide sequence was analyzed. The activity of the 1, 2-DCE dehalogenase was highly expressed to the substrate. These results indicated that the dhlA gene identified from the metagenomes derived from Deacheong Reservoir might be useful to develop a potent strain for degradation of 1, 2-DCE.
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.
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.
To find alternative genetic resources for D-serine dehydratase (E.C. 4.3.1.18, dsdA) mediating the deamination of D-serine into pyruvate, metagenomic libraries were screened. The chromosomal dsdA gene of a wild-type Escherichia coli W3110 strain was disrupted by inserting the tetracycline resistance gene (tet), using double-crossover, for use as a screening host. The W3110 dsdA::tet strain was not able to grow in a medium containing D-serine as a sole carbon source, whereas wild-type W3110 and the complement W3110 dsdA::tet strain containing a dsdA-expression plasmid were able to grow. After introducing metagenome libraries into the screening host, a strain containing a 40-kb DNA fragment obtained from the metagenomic souce derived from a compost was selected based on its capability to grow on the agar plate containing D-serine as a sole carbon source. For identification of the genetic resource responsible for the D-serine degrading capability, transposon-${\mu}$ was randomly inserted into the 40-kb metagenome. Two strains that had lost their D-serine degrading ability were negatively selected, and the two 6-kb contigs responsible for the D-serine degrading capability were sequenced and deposited (GenBank code: HQ829474.1 and HQ829475.1). Therefore, new alternative genetic resources for D-serine dehydratase was found from the metagenomic resource, and the corresponding ORFs are discussed.
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.
To access the natural products of uncultured microorganisms, we constructed and screened the metagenomic DNA libraries by using a cosmid vector and DNA inserts isolated directly from soil. Initial screening of the libraries in Escherichia coli resulted in the isolation of several clones that produce a dark brown color when grown in LB medium. One of the positive clones, designed pYS85C, was transposon mutagenized and the DNA surrounding the transposon insertions in cosmids that no longer conferred the production of brown pigment to E. coli was sequenced. Annotation of the pYS85C sequence obtained from the transposon mutagenesis experiment indicated a single 393 amino acid open reading frame (ORF) with a molecular mass of about 44.5 kDa, predicted to be a 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenases (HPPDs), was responsible for the observed brown pigment. In a BLAST search against deposited sequence, the translated protein from this ORF showed moderate-level identity (>60%) to the other known HPPDs and was most conserved in the C-terminal region of the protein. These results show that genes involved in natural product synthesis can be cloned directly from soil DNA and expressed in a heterologous host, supporting the idea that this technology has the potential to provide novel natural products from the wealth of environmental microbial diversity and is a potentially important new tool for drug discovery.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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