Bacillus subtilis from soil to industry: optimization of the intrinsic cellulolytic abilities and biotechnological applications

The thesis deals with the optimization of the degradative capabilities of Bacillus subtilis, taken as industrial model organism, and with the biotechnological applications of the improved strains. The enzymes that underwent the optimization process are plant cell wall-degrading enzymes that B. subtilis already possesses in its genome; therefore, the strain optimization did not require the integration of any exogenous DNA. The efforts dedicated to the choice of the target and to the evaluation of the effects of the genetic improvements in terms of enzyme yield are described in Chapter 2. The second main goal of the thesis is the implementation of the hyperproducing strains in two rather different biotechnological applications. Both of them are part of the same main objective, which is the development of viable, sustainable and cheap biotechnological processes, based on B. subtilis enzymatic properties, for the efficient conversion of biomasses into resources. A large body of literature demonstrated the positive effect of B. subtilis spores, added to dairy cattle feed, on ruminal fermentation, lactation performance and milk composition. To identify the scientific rationale for the increase in animal productivity observed in vivo, in Chapter 3, several ruminant forages were treated with wild-type or optimized B. subtilis strains to investigate the presence of any correlation between feed quality and degradative enzymes levels. In Chapter 4, the enzymatic activities of the optimized strain were exploited for the extraction of nutraceutical molecules encased in the vegetable matrix of cauliflower waste, thereby ensuring a truly sustainable extraction process.

La tesi si occupa dell'ottimizzazione delle capacità degradative di Bacillus subtilis, assunto come organismo modello industriale, e delle applicazioni biotecnologiche dei ceppi migliorati. Gli enzimi che hanno subito il processo di ottimizzazione sono enzimi di degradazione della parete cellulare vegetale che B. subtilis possiede già nel suo genoma; pertanto, l'ottimizzazione del ceppo non ha richiesto l'integrazione di alcun DNA esogeno. Gli sforzi dedicati alla scelta del target e alla valutazione degli effetti dei miglioramenti genetici in termini di resa enzimatica sono descritti nel Capitolo 2. Il secondo obiettivo principale della tesi è l'implementazione dei ceppi iperproduttori in due applicazioni biotecnologiche piuttosto diverse. Entrambi fanno parte dello stesso obiettivo principale, che è lo sviluppo di processi biotecnologici praticabili, sostenibili ed economici, basati sulle proprietà enzimatiche di B. subtilis, per la conversione efficiente delle biomasse in risorse. Un'ampia letteratura ha dimostrato l'effetto positivo delle spore di B. subtilis, aggiunte all'alimentazione dei bovini da latte, sulla fermentazione ruminale, sulle prestazioni di lattazione e sulla composizione del latte. Per identificare il razionale scientifico dell'aumento della produttività animale osservato in vivo, nel Capitolo 3, diversi foraggi di ruminanti sono stati trattati con ceppi di B. subtilis wild-type o ottimizzati per indagare la presenza di qualsiasi correlazione tra qualità del mangime e livelli di enzimi degradativi. Nel capitolo 4, le attività enzimatiche del ceppo ottimizzato sono state sfruttate per l'estrazione di molecole nutraceutiche racchiuse nella matrice vegetale degli scarti di cavolfiore, garantendo così un processo di estrazione realmente sostenibile.