Characterization of yeast stress tolerance to industrially relevant stresses and metabolic engineering for increased ergosterol biosynthesis
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2018-11-05
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
86 + 5
Series
Abstract
Bioethanol is considered one of the most important and environmentally friendly alternatives to replace liquid fossil fuels. The production of bioethanol from lignocellulosic biomass is drawing a lot of attention due to the price and availability of the feedstock. However, inhibitory compounds produced in the needed pretreatment processes and unfavorable process conditions during fermentation reduce the ethanol yields of yeasts. Therefore, increasing the stress resistance of most commonly used yeast Saccharomyces cerevisiae to industrially relevant stresses could make the process more feasible. The aim of this study was to characterize differences in stress tolerance between S. cerevisiae strains with different genetic backgrounds and compare their susceptibility to a number of stresses targeting the plasma membrane and stress-induced plasma membrane permeabilization to investigate whether susceptibility is correlated with increased plasma membrane stress-induced permeabilization. Another aim was to increase the stress resistance of S. cerevisiae by overexpressing possible rate-limiting steps of ergosterol biosynthesis pathway. The yeast sterol ergosterol is an important plasma membrane component and increased ergosterol concentration in the plasma membrane has been linked with increased stress tolerance due to a plasma membrane structure that is less susceptible to stress-induced permeabilization. Plasma membrane is a common target for stress-induced damage and alterations in membrane lipid composition can increase membrane stability and decrease permeability. Tested stresses were ethanol, acetic acid and supraoptimal temperature, and it was found that industrially used strains were in general more resistant than the tested laboratory strain, however the tested laboratory strain exhibited higher tolerance to acetic acid than any of the tested industrial strains. Correlation between susceptibility and permeability was found for ethanol- and high temperature -induced stress, but not for acetic acid -induced stress. Overexpression of possible bottleneck genes regarding ergosterol biosynthesis pathway (ERG1, ERG11, UPC2 and truncated HMG1) alone or together did not improve yeast stress tolerance to ethanol, acetic acid or supraoptimal temperature at the tested stress levels in this study. However, further tests with mutation-free clones, higher individual stress levels and combined multiple stresses are needed to determine definite conclusions.Bioetanolia pidetään yhtenä tärkeimmistä ja ympäristölle turvallisimmista vaihtoehdoista nestemäisten fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi. Bioetanolin tuotto lignoselluloosasta herättää kiinnostusta, sillä lignoselluloosasta koostuva biomassa on edullinen raaka-aine ja laajasti saatavilla. Lignoselluloosan prosessointi fermentaatiota varten tuottaa kuitenkin yhdisteitä, jotka yhdessä epäedullisten prosessiolosuhteiden kanssa rajoittavat hiivan kasvua ja etanolin tuotantoa. Tämän takia prosessin kannattavuutta voitaisiin lisätä parantamalla yleisimmän etanolin tuotannossa käytettävän Saccharomyces cerevisiae -hiivan sietokykyä teollisesti merkittäville stresseille. Tämän työn tarkoituksena oli karakterisoida geneettisesti erilaisista taustoista peräisin olevien S. cerevisiae -hiivakantojen eroja stressinsietokyvyssä ja vertailla niiden herkkyyttä solukalvoon vaikuttaville stressitekijöille ja stressin aiheuttamaa solukalvon läpäisevyyttä, jotta voitaisiin selvittää, onko lisääntynyt herkkyys stressille yhteydessä läpäisevämpään solukalvoon. Työn tarkoituksena oli myös yrittää lisätä S. cerevisiae -hiivan stressinsietokykyä yliekspressoimalla mahdollisia pullonkaulageenejä ergosterolin biosynteesiin liittyen. Ergosteroli, joka on hiivan yleisin steroli, on tärkeä solukalvon komponentti, ja sen lisääntynyt määrä solukalvossa on yhteydessä lisääntyneeseen stressinsietokykyyn. Tämä johtuu siitä, että solukalvo on yleinen kohde stressin aiheuttamille vaurioille, ja muuttamalla solukalvon lipidikoostumusta hiivasolu pystyy lisäämään solukalvon stabiiliutta ja vähentämään läpäisevyyttä. Työssä testattiin etanolin, etikkahapon ja ylioptimaalisen lämpötilan vaikutuksia hiivasoluun, ja tulosten perusteella voitiin päätellä, että teollisuudessa käytetyt hiivakannat olivat yleisesti vastustuskykyisempiä kuin testattu laboratoriokanta, mutta laboratoriokanta osoitti korkeampaa vastustuskykyä etikkahapon aiheuttamalle stressille kuin mikään testattu teollisuudessa käytetty kanta. Korrelaatio stressiherkkyyden ja solukalvon läpäisevyyden välillä löydettiin etanolin ja korkean lämpötilan aiheuttamille stresseille, mutta ei etikkahapon aiheuttamalle stressille. Ergosterolin biosynteesiin liittyvien mahdollisten pullonkaulageenien (ERG1, ERG11, UPC2 ja typistetty HMG1) yliekspressio yksin tai yhdessä ei tämän työn tulosten perusteella parantanut hiivan vastustuskykyä etanolille, etikkahapolle tai korkeille lämpötiloille testatuilla stressitasoilla. Lisätestejä kuitenkin tarvitaan, jotta voidaan varmasti selvittää yliekspression rooli vastustuskyvyssä: geenien (ilman mutaatioita) yliekspression yhteisvaikutus pitäisi testata korkeammilla stressitasoilla sekä testata stressien yhteisvaikutusta.Description
Supervisor
Frey, AlexanderThesis advisor
Sá-Correia, IsabelGodinho, Cláudia
Keywords
yeast, stress tolerance, ergosterol, permeability, bioethanol production, metabolic engineering