Average mutation rates of Saccharomyces cerevisiae in industrially relevant stressful environments
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-11-12
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
52
Series
Abstract
In industrial applications, microbial cells are exposed to harsh chemical environments. However, it is yet to be discovered whether the apparently non-mutagenic chemical ex-posure affects strain stability by increasing the random mutation rates. Therefore, this thesis aimed to determine the average mutation rates in haploid engineered (for heterolo-gous bikaverin synthesis, B) and wild-type (WT) Saccharomyces cerevisiae strains ex-posed to selected industrial inhibitors (LiCl, vanillin, and ferulic acid). The average mutation rates (canavanine resistance mutation per generation) were de-termined using a CAN1 reporter gene and fluctuation assay. The fluctuation assays in the presence of the inhibitory chemical were performed at the half-inhibitory concentrations (IC50). The IC50 values (g/L) of LiCl, vanillin, and ferulic acid differed and were found strain-dependent (IC50(LiCl_B) = 6.4, IC50(LiCl_WT) = 10.8, IC50(Vanillin_B) = 0.24, IC50(Vanillin_WT) = 0.34, IC50(Ferulic acid_B) = 0.32, and IC50(Ferulic acid_WT) = 0.20). The fluctuation assays showed that the average mutation rates at CAN1 significant-ly increased (P < .05) in the bikaverin-producing cultures exposed to ferulic acid and LiCl compared to the unstressed bikaverin-producing cultures. The average mutation rates of the wild-type increased only when exposed to LiCl. The mutation rates for unstressed strains varied between 6.2E-08 and 7.6E-08, where the average mutation rates between two individual unstressed wild-type experiments differed (P(WT0_WT) = 0.01). In the experiments with inhibitor-exposed cells, the engineered strain had higher average muta-tion rates than the wild-type, except when the cells were exposed to vanillin. The highest average mutation rate among stressed cultures was observed in cells exposed to LiCl, whereas the lowest was in cells exposed to vanillin. The stress-induced mutation rates at CAN1 varied between 7.4E-08 and 3.1E-07. S. cerevisiae is an important organism in biotechnology due to its safety and wide range of industrial applications. Therefore, understanding the factors affecting its genetic stability is essential for optimizing industrial processes. Among these factors, toxins like vanillin and ferulic acid found in lignocellulose hydrolysate are significant, as this feed-stock serves as a promising raw resource for biotechnological chemical production. Ex-ploring the interaction between these toxins and S. cerevisiae can lead to improvements in fermentation efficiency and product yield.Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli määrittää haploidihiivan keskimääräinen mutaationopeus altistamalla se teollisuusinhibiittorien (LiCl, vanilliini ja ferulahappo) vaikutukselle. Erityisesti tutkittiin, kasvaako keskimääräinen mutaationopeus geneettisesti muokatussa (bikaveriinin synteesi, B) ja villityyppisessä (WT) Saccharomyces cerevisiae – kannoissa stressaavissa ympäristöissä. Keskimääräiset mutaatiomäärät määritettiin käyttämällä CAN1-geeniä ja vaihtelumäärityskoetta (eng. Fluctuation assay) solukasvua puoliksi hidastavassa inhibiittorikonsentraatiossa (IC50). Huomattiin, että IC50-arvot (g/L) inhibiittoreille olivat riippuvia kannasta (IC50(LiCl_B) = 6.4, IC50(LiCl_WT) = 10.8, IC50(Vanilliini_B) = 0.24, IC50(Vanilliini_WT) = 0.34, IC50(Ferulahappo_B) = 0.32, and IC50(Ferulahappo_WT) = 0.20). Vaihteluanalyysit osoittivat, että CAN1:n mutaatioiden keskimääräinen määrä kasvoi (P < .05) LiCl:lle ja ferulahapolle altistuneissa bikaveriinia tuottavissa soluissa verrattuna stressaantumattomiin soluihin. Villityyppisessä hiivassa mutaationopeudet (kanavaniiniresistanssimutaatio per solunjakautuminen) kasvoivat vain LiCl altistuskokeissa. Stressaamattomien kantojen mutaatiomäärät vaihtelivat 6.2E-08:n ja 7.6E-08:n välillä. Suurin keskimääräinen mutaationopeus stressaantuneissa viljelmissä havaittiin LiCl:lle altistuneissa soluissa, kun taas alhaisin oli soluissa, jotka olivat altistuneet vanilliinille. Stressin aiheuttamat mutaatiomäärät CAN1:ssä vaihtelivat välillä 7.4E-08 ja 3.1E-07, joissa vanilliinille altistuneilla soluilla oli kymmenkertaisesti pienempi mutaationopeus kuin muilla. Inhibiittorikokeissa muunnellulla kannalla oli korkeampi mutaationopeus kuin villityypillä, lukuun ottamatta vanilliinille altistuneita soluja. S. cerevisiae on tärkeä organismi biotekniikassa sen turvallisuuden ja monenlaisten teollisten sovellusten vuoksi. Siksi sen geneettiseen vakauteen vaikuttavien tekijöiden ymmärtäminen on välttämätöntä muun muassa teollisten bioprosessien optimoimiseksi. Näistä tekijöistä merkittävät ovat lignoselluloosahydrolysaatista löytyvien vanilliinin ja feruliinihapon kaltaiset toksiinit, sillä tämä biomassa toimii lupaavana raaka-aineena bioteknologisessa tuotannossa. Näiden toksiinien tutkiminen edistää vankempien, stabiilimpien ja mukautuvampien kantojen kehittämistä.Description
Supervisor
Jouhten, PaulaThesis advisor
Porri, LindaKeywords
fluctuation assay, Saccharomyces serevisiae, CAN1, mutation rate, IC50, chemical inhibitors