Sugar transport in Trichoderma reesei

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-06-14
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
136 + app. 84
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 115/2024
Abstract
Filamentous fungus Trichoderma reesei is well known for its high capacity to secrete proteins and is considered one of the most important fungal production hosts in the biotechnological industry. T. reesei has evolved to produce biomass-degrading enzymes as part of its saprotrophic lifestyle. These enzymes can be used in the production of second generation biofuels, which have been intensively studied as an alternative to fossil fuels. Similarly, the biomass-degrading enzymes of T. reesei and the improvement of their production, have been the subject of numerous studies. Less attention, however, has been paid to understand how T. reesei obtains nutrients, such as the various sugars released from the biomass by the aforementioned enzymes, from its environment. Transport of sugars across the cell membrane is crucial for many living organisms. Since sugars cannot simply diffuse through the membrane, their import is mediated by specialized transporter proteins. Although the genome of T. reesei has been predicted to code for many such proteins, only handful have been characterized in the literature. Given the wide variety of sugars derived from the biomass, many different sugar transporting activities are needed. Understanding of these processes would provide further insight into the physiology of this organism. Since the availability of sugars affects the production of biomass-degrading enzymes by T. reesei, the manipulation of sugar transport processes could be applied for strain improvement. The aim of this thesis was to characterize the most important members of T. reesei sugar transportome. Phylogenetics was employed to identify transporters for functional studies. Transporters were functionally characterized with two heterologous expression systems: yeast Saccharomyces cerevisiae and Xenopus laevis oocytes. Additionally, we manipulated the expression of some transporters in the native host to study their role in its physiology. This methodology allowed us to functionally characterize multiple T. reesei sugar transporters, including three which had not been described before. Importantly, we could demonstrate transport function for protein called CRT1, which has been shown to play a crucial role in the production of biomass-degrading enzymes. Another transporter, XLT1, was highly specific for L-arabinose and thus it could be potentially utilized for metabolic engineering of yeast for more efficient utilization of this sugar. Although expression of fungal sugar transporters in yeast is well-established, X. laevis oocytes have been seldomly used for this purpose. However, our results demonstrate that electrophysiological measurements which utilize X. laevis oocytes are powerful method for studying fungal sugar transporters. The obtained results provide valuable information about fungal sugar transporters. Unfortunately, we were not able to extend our analysis to study the roles of many of the identified transporters in T. reesei, or their applications to yeast metabolic engineering. There indeed remain many open questions to be answered by future studies.

Home Trichoderma reesei on tunnettu kyvystään tuottaa suuria määriä proteiineja, ja sitä pidetään yhtenä bioteknisen teollisuuden tärkeimmistä homelajeista entsyymien tuotannossa. T. reesei - homeen kyky tuottaa biomassaa hajottavia entsyymejä on kehittynyt sen saprotrofisen elämäntyylin ansiosta. Näitä entsyymejä voidaan käyttää toisen sukupolven biopolttoaineiden tuottamiseksi, joita on tutkittu paljon fossiilisten polttoaineiden korvaajiksi. T. reesei -homeen biomassaa hajottavia entsyymejä ja niiden tuottotasojen kasvattamista on myös tutkittu paljon. Vähemmälle huomiolle on jäänyt se, miten tämä home kuljettaa ravintonsa, kuten biomassasta entsyymien avulla vapautetut sokerit, ympäristöstään solun sisälle. Sokerien kuljetus solukalvon läpi on tärkeää monille eläville organismeille. Koska sokerit eivät voi siirtyä solukalvon läpi diffuusion avulla, tarvitaan niiden kuljettamiseksi erityisiä kuljetusproteiineja. Vaikka T. reesei -homeen uskotaan koodaavan monia tämäntyyppisiä proteiineja, on niistä tutkittu kirjallisuudessa vain muutamaa. Sokerinkuljetusprosessien selvittäminen on tärkeää tämän organismin fysiologian ymmärtämisen kannalta. Sokerien saatavuus vaikuttaa myös biomassaa hajottavien entsyymien tuotantoon, ja siksi sokerinkuljetusproteiineja manipuloimalla voitaisiin kehittää parempia tuottokantoja. Tavoitteemme tässä väitöskirjassa oli tunnistaa T. reesei -homeen tärkeimmät sokerinkuljetusproteiinit. Fylogeneettistä analyysiä käytettiin proteiinien valitsemiseksi funktionaalisiin kokeisiin. Kuljetusproteiinit karakterisoitiin ilmentämällä niitä heterologisesti kahdessa isäntäorganismissa: Saccharomyces cerevisiae -hiivassa ja Xenopus laevis -sammakon oosyyteissä. Joidenkin proteiinien ilmentymistä manipuloitiin myös T. reesei -homeessa tutkiaksemme niiden vaikutusta homeen fysiologiaan. Näiden keinojen avulla pystyimme tutkimaan useampaa T. reesei -homeen sokerinkuljetusproteiinia, mukaan lukien kolmea joita ei oltu aiemmin löydetty. Osoitimme että CRT1 -proteiini, jolla on tärkeä rooli biomassaa hajottavien entsyymien tuotannossa, toimii sokerien kuljetuksessa. Toinen proteiini, XLT1, pystyy kuljettamaan L-arabinoosia hyvin spesifisesti, ja sitä voitaisiinkin mahdollisesti hyödyntää hiivan metaboliamuokkauksessa tämän sokerin käytön parantamiseksi. Vaikka homeiden sokerinkuljetusproteiineja on ilmennetty paljon hiivassa, on X. laevis -sammakon oosyyttejä käytetty vain harvoin tähän tarkoitukseen. Meidän tuloksemme kuitenkin osoittavat että oosyyttejä hyödyntävät elektrofysiologiset kokeet soveltuvat erinomaisesti homeiden sokerinkuljetusproteiinien tutkimiseen. Saadut tulokset sisältävät tärkeää tietoa homeiden sokerinkuljetusproteiineista. Valitettavasti emme voineet tutkia monenkaan proteiinin vaikutusta homeen fysiologiaan tai niiden hyödyntämistä hiivan metabolian muokkauksessa. Onkin vielä monia avoimia kysymyksiä, joiden selvittämiseen tarvitaan lisätutkimuksia.
Description
Supervising professor
Frey, Alexander D., Prof., Aalto University School of Chemical Engineering, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Landowski, Christopher P., PhD, CTO, Onego Bio Ltd, Finland
Keywords
Trichoderma reesei, sugar transport, electrophysiology, Xenopus laevis, Trichoderma reesei, sokerien kuljetusproteiinit, elektrofysiologia, Xenopus laevis
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Havukainen S., Pujol-Gimenez J., Valkonen M., Westerholm-Parvinen A., Hediger M.A., Landowski C.P.. Electrophysiological characterization of a diverse group of sugar transporters from Trichoderma reesei. Scientific Reports, 11:14678, July 2021.
    DOI: 10.1038/s41598-021-93552-7 View at publisher
  • [Publication 2]: Havukainen S., Pujol-Gimenez J., Valkonen M., Hediger M.A., Landowski C.P.. Functional characterization of a highly specific L-arabinose transporter from Trichoderma reesei. Microbial Cell Factories, 20:177, September 2021.
    DOI: 10.1186/s12934-021-01666-4 View at publisher
  • [Publication 3]: Havukainen S., Valkonen M., Koivuranta K., Landowski C.P.. Studies on sugar transporter CRT1 reveal new characteristics that are critical for cellulase induction in Trichoderma reesei. Biotechnology for Biofuels, 13:158, September 2020.
    DOI: 10.1186/s13068-020-01797-7 View at publisher
Citation