Análise de supressores da fermentação de xilose em saccharomyces cerevisiae

Abstract

O Brasil se destaca como o segundo maior produtor mundial de bioetanol, sendo detentor do processo de produção mais eficaz e rentável, baseado exclusivamente na utilização da cana-de-açúcar. Porém, apenas um terço de sua biomassa é utilizado para produção de bioetanol. O restante da biomassa (bagaço, folhas e palha) é queimado para a produção de vapor e eletricidade. Estes materiais são compostos majoritariamente de fibras de lignocelulose que são extremamente ricas em açúcares, apresentando grande potencial para produção adicional de bioetanol. A levedura Saccharomyces cerevisiae é o microrganismo mais amplamente utilizado na produção industrial de etanol, sendo capaz de fermentar eficientemente açúcares como a sacarose (principal açúcar presente na cana-de-açúcar) e hexoses. No entanto, essa levedura, em sua condição natural, é incapaz de fermentar pentoses como a xilose, o segundo açúcar mais abundante na biomassa da cana-de-açúcar. O sucesso das tecnologias de produção de biocombustíveis de segunda geração depende, portanto, de leveduras capazes de fermentar tanto as hexoses quanto as pentoses presentes na biomassa lignocelulósica. Recentemente, alguns estudos têm reportado que os genes BUD21 e PHO13 funcionam como possíveis supressores da metabolização de xilose em S. cerevisiae. O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito da deleção dos referidos genes em linhagens industriais diploides utilizadas para a produção de etanol combustível no Brasil. Para tanto, utilizou-se técnicas de biologia molecular baseadas em recombinação homóloga para deletar do genoma de S. cerevisiae o(s) gene(s) BUD21 e PHO13. Nossos resultados mostraram que linhagens de laboratório com deleção do gene BUD21 (bud21?) foram incapazes de utilizar xilose como fonte de carbono, sugerindo que este gene não é um supressor da metabolização de xilose nas leveduras analisadas. Numa segunda abordagem, o gene PHO13 foi deletado numa levedura industrial diploide recombinante que sobre-expressa os genes necessários à metabolização de xilose (genes XYL1, XYL2 e XKS1). A linhagem industrial pho13? / pho13? foi capaz de crescer em meios sólidos contendo altas concentrações de xilose, e em cultivos em frascos agitados, a deleção do gene PHO13 melhorou significativamente oconsumo da xilose, bem como a produção de biomassa e de etanol pela linhagem industrial recombinante. No entanto, ensaios de fermentação em batelada simples em condições microaeróbias revelaram que a deleção do PHO13 não melhora a fermentação da xilose. Resultados semelhantes foram encontrados nos ensaios de co-fermentações de xilose/glicose e xilose/sacarose.<br>

Abstract : Brazil stands as the second largest world producer of bioethanol, having the most efficient and profitable production process, based exclusively on the use of sugarcane. However, only a third of its biomass is used for bioethanol production. The remaining biomass (bagasse, leaves and straw) is burned to produce steam and electricity. These materials are composed mostly of lignocellulosic fibers that are extremely rich in sugars, with great potential for further production of bioethanol. The yeast Saccharomyces cerevisiae is the microorganism most widely used in the industrial production of ethanol, been able to efficiently ferment sugars such as sucrose (the principal sugar present sugarcane) and hexoses. However, this yeast, in its natural condition, is unable to ferment pentoses such as xylose, the second most abundant sugar in the sugarcane biomass. The success of the technologies of second generation biofuels production, therefore, depends on yeast capable of fermenting hexoses as well as pentoses present in the lignocellulosic biomass. Recently some studies have reported that the BUD21 and PHO13 genes function as potential suppressors of xylose metabolism in S. cerevisiae. The aim of this study was to evaluate the effect of the deletion of these genes in diploid industrial strains used for the production of fuel ethanol in Brazil. For this, we used molecular biology techniques based on homologous recombination to delete the BUD21 and PHO13 gene(s) from the S. cerevisiae genome. Our results showed that laboratory strains deleted in the BUD21 gene (bud21?) were unable to use xylose as a carbon source, suggesting that this gene is not a suppressor of xylose metabolism in the analyzed yeasts. In a second approach, the PHO13 gene was deleted in a recombinant diploid industrial yeast overexpressing the genes required for xylose metabolism (XYL1, XYL2 and XKS1 genes). The industrial pho13? / pho13? strain was able to grow on solid media containing high concentrations of xylose, and in flasks cultivations, the deletion of the PHO13 gene significantly improved xylose consumption, as well as production of biomass and ethanol by the industrial recombinant strain. However, assays in simple batch fermentation under conditions of limited oxygen revealed that deletion of PHO13 no improvement ofxylose fermentation. Similar results were found in assays of co-fermentation of xylose / glucose and xylose / sucrose.