Alterações de pH após adição de pulsos de glucose a Saccharomyces cerevisiae: estimativa de parâmetros a partir da modelação matemática do comportamento cinéticometabólico

Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Bioquímica Estrutural e Funcional

Role of the DHH1 Gene in the Regulation of Monocarboxylic Acids Transporters Expression in Saccharomyces cerevisiae

Previous experiments revealed that DHH1, a RNA helicase involved in the regulation of mRNA stability and translation, complemented the phenotype of a Saccharomyces cerevisiae mutant affected in the expression of genes coding for monocarboxylic-acids transporters, JEN1 and ADY2 (Paiva S, Althoff S, Casal M, Leao C. FEMS Microbiol Lett, 1999, 170∶301–306). In wild type cells, JEN1 expression had been shown to be undetectable in the presence of glucose or formic acid, and induced in the presence of lactate. In this work, we show that JEN1 mRNA accumulates in a dhh1 mutant, when formic acid was used as sole carbon source. Dhh1 interacts with the decapping activator Dcp1 and with the deadenylase complex. This led to the hypothesis that JEN1 expression is post-transcriptionally regulated by Dhh1 in formic acid. Analyses of JEN1 mRNAs decay in wild-type and dhh1 mutant strains confirmed this hypothesis. In these conditions, the stabilized JEN1 mRNA was associated to polysomes but no Jen1 protein could be detected, either by measurable lactate carrier activity, Jen1-GFP fluorescence detection or western blots. These results revealed the complexity of the expression regulation of JEN1 in S. cerevisiae and evidenced the importance of DHH1 in this process. Additionally, microarray analyses of dhh1 mutant indicated that Dhh1 plays a large role in metabolic adaptation, suggesting that carbon source changes triggers a complex interplay between transcriptional and post-transcriptional effects.

ABCC Subfamily Vacuolar Transporters are Involved in Pb (Lead) Detoxification in Saccharomyces cerevisiae

The present work has as objective to contribute for the elucidation of the mechanism associated with Pb detoxification, using the yeast Saccharomyces cerevisiae as a model organism. The deletion of GTT1 or GTT2 genes, coding for functional glutathione transferases (GST) enzymes in S. cerevisiae, caused an increased susceptibility to high Pb concentrations (500-1000 μmol L(-1)). These results suggest that the formation of glutathione-Pb conjugate (GS-Pb), dependent of GSTs, is important in Pb detoxification. The involvement of ATP-binding cassette (ABC) vacuolar transporters, belonging to class C subfamily (ABCC) in vacuolar compartmentalization of Pb, was evaluated. For this purpose, mutant strains disrupted in YCF1, VMR1, YBT1 or BPT 1 genes were used. All mutants tested, without vacuolar ABCC transporters, presented an increased sensitivity to 500-1000 μmol L(-1) Pb comparative to wild-type strain. Taken together, the obtained results suggest that Pb detoxification, by vacuolar compartmentalization, can occur as a result of the concerted action of GSTs and vacuolar ABCC transporters. Pb is conjugated with glutathione, catalysed by glutathione transferases and followed to the transport of GS-Pb conjugate to the vacuole by ABCC transporters.

Estudo da Toxicidade do Chumbo na Levedura Saccharomyces cerevisiae

O chumbo é um importante poluente ambiental. A levedura Saccharomyces cerevisiae constitui um modelo útil para o estudo dos efeitos tóxicos do chumbo. O conhecimento dos mecanismos de defesa e resistência à presença de metais pesados poderá ser útil em tecnologias de proteção ambiental, nomeadamente no desenvolvimento de novas metodologias para a biorremediação de metais pesados. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto do Pb na capacidade proliferativa, na integridade membranar e na produção intracelular de espécies reativas de oxigénio (ROS), na estirpe laboratorial da levedura Saccharomyces cerevisiae BY4741 (estirpe selvagem, WT). Foi também estudado o papel das mitocôndrias, como fonte de ROS induzida por Pb, e o envolvimento da H+-ATPase vacuolar (V-ATPase) e de transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC (de ATP-binding cassette) na defesa contra a toxicidade do Pb. O estudo cinético do impacto de duas concentrações de Pb na viabilidade das leveduras (avaliado através de um ensaio clonogénico), na integridade da membrana celular (determinada com iodeto de propídio) e na produção intracelular de ROS (o anião superóxido foi detetado com dihidroetídio e o peróxido de hidrogénio com 2’,7’- diclorodihidrofluoresceína), revelou uma perda progressiva da capacidade proliferativa (53 e 17% de células viáveis, após a exposição durante 3h a 250 ou 1000 µmol/l de chumbo, respetivamente), coincidente com a acumulação intracelular de anião superóxido e de peróxido de hidrogénio, na ausência de perda da integridade membranar. A importância das mitocôndrias na produção de ROS, induzida por chumbo, foi levada a cabo usando um mutante deficiente respiratório desprovido de ADN mitocondrial (ƿ0). Quando comparado com a respetiva estirpe parental, o mutante ƿ0 apresentou uma maior resistência ao Pb e uma menor produção de ROS induzida por Pb. A exposição das células da estirpe BY4741 a 250 e 1000 µmol/l de chumbo originou a formação de 49 e 58% de células deficientes respiratórias, respetivamente. A função da V-ATPase, na desintoxicação de chumbo, foi avaliada utilizando mutantes com uma estrutura vacuolar normal mas defetivos em subunidades da VATPase (vma1Δ, vma2Δ, vma3Δ e vph1Δ). Comparativamente às células da estirpe WT, todos os mutantes testados, sem V-ATPase funcional, apresentaram uma maior suscetibilidade ao Pb. O papel dos transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC, na defesa contra a toxicidade induzida por chumbo, foi levada a cabo utilizando mutantes sem os transportadores Ycf1p ou Vmr1p. Os resultados preliminares mostraram que quando comparadas com as células da estirpe WT, as células das estirpes ycf1Δ ou vmr1Δ não apresentavam uma maior perda da viabilidade. A modificação da morfologia vacuolar, em células expostas a chumbo, foi visualizada utilizando a estirpe Vma2p-GFP. O tratamento das células com Pb originou a fusão dos vacúolos de tamanho médio num único vacúolo de grande dimensão. Em conclusão, os estudos desenvolvidos no presente trabalho, utilizando a estirpe laboratorial BY4741, mostraram que a perda da capacidade proliferativa das leveduras, induzida pelo chumbo, pode ser atribuída à acumulação intracelular do anião superóxido e de peróxido de hidrogénio. As mitocôndrias parecem ser uma das principais fontes de ROS induzido por Pb e, simultaneamente, um dos principais alvos da sua toxicidade. Em S. cerevisiae, o vacúolo desempenha um papel importante na desintoxicação do Pb. A modificação da morfologia vacuolar após exposição ao chumbo poderá ser a consequência da acumulação de Pb no vacúolo. Enquanto os transportadores da superfamília ABC parecem não estar envolvidos na sequestração vacuolar de Pb, é necessária a presença, num estado funcional, da V-ATPase para que ocorra a compartimentação do Pb. Muito provavelmente, a compartimentação do Pb no vacúolo previne a sua acumulação no citosol e o desencadear dos respetivos efeitos tóxicos.

Saccharomyces cerevisiae como biossensor de arsénio na água: caso de estudo da Ribeira do Bodelhão e do Rio Zêzere

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Tecnologia e Segurança Alimentar

A relevância do factor de transcrição Yap5 de Saccharomyces cerevisiae na resposta ao excesso de ferro

A capacidade que os organismos possuem de alterar os seus padrões de expressão de genes em resposta a alterações no meio ambiente é essencial para a sua viabilidade. A levedura Saccharomyces cerevisiae, em particular, possui um programa complexo e muito flexível de expressão de genes quando exposta a mudanças agressivas do seu meio ambiente. As células mantêm a sua homeostase através de mecanismos coordenados de regulação de vários factores de transcrição, cada um desempenhando funções específicas. Neste trabalho foi estudada a relevância do factor de transcrição da família Yap de S. cerevisiae, o Yap5, na destoxificação do excesso de ferro na célula. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que após a incubação com elevadas quantidades de sulfato de ferro, embora o potencial de transactivação do Yap5 aumente, os níveis da proteína diminuem, sendo esta diminuição dependente da concentração de ferro. Demonstrámos também que embora a expressão do gene CCC1 (que codifica para o único transportador vacuolar de ferro conhecido) seja dependente do Yap5 em condições de excesso de ferro, os níveis basais de expressão deste gene são suficientes para a sobrevivência nessas condições. Observámos ainda que, ao contrário do que acontece em Schizosaccharomyces pombe, o factor de transcrição Hap4, não parece estar envolvido nesta regulação. Através de delecções sequenciais da região promotora do CCC1, verificámos que os níveis de expressão ditados por uma região de 58pb a montante do codão de iniciação, ATG, são suficientes para a célula sobreviver sob concentrações elevadas de ferro. Verificámos ainda que a região 3’UTR do gene é importante para a sobrevivência celular. Nessa região, identificámos uma estrutura em forma de “hairpin” que poderá estar envolvida na regulação do gene.

Development of principle culture medium formulations for Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae as well as other microorganisms are frequently used in industry with the purpose of obtain different kind of products that can be applied in several areas (research investigation, pharmaceutical compounds, etc.). In order to obtain high yields for the desired product, it is necessary to make an adequate medium supplementation during the growth of the microorganisms. The higher yields are typically reached by using complex media, however the exact formulation of these media is not known. Moreover, it is difficult to control the exact composition of complex media, leading to batch-to-batch variations. So, to overcome this problem, some industries choose to use defined media, with a defined and known chemical composition. However these kind of media, many times, do not reach the same high yields that are obtained by using complex media. In order to obtain similar yield with defined media the addition of many different compounds has to be tested experimentally. Therefore, the industries use a set of empirical methods with which it is tried to formulate defined media that can reach the same high yields as complex media. In this thesis, a defined medium for Saccharomyces cerevisiae was developed using a rational design approach. In this approach a given metabolic network of Saccharomyces cerevisiae is divided into a several unique and not further decomposable sub networks of metabolic reactions that work coherently in steady state, so called elementary flux modes. The EFMtool algorithm was used in order to calculate the EFM’s for two Saccharomyces cerevisiae metabolic networks (amino acids supplemented metabolic network; amino acids non-supplemented metabolic network). For the supplemented metabolic network 1352172 EFM’s were calculated and then divided into: 1306854 EFM’s producing biomass, and 18582 EFM’s exclusively producing CO2 (cellular respiration). For the non-supplemented network 635 EFM’s were calculated and then divided into: 215 EFM’s producing biomass; 420 EFM’s producing exclusively CO2. The EFM’s of each group were normalized by the respective glucose consumption value. After that, the EFMs’ of the supplemented network were grouped again into: 30 clusters for the 1306854 EFMs producing biomass and, 20 clusters for the 18582 EFM’s producing CO2. For the non-supplemented metabolic network the respective EFM’s of each metabolic function were grouped into 10 clusters. After the clustering step, the concentrations of the other medium compounds were calculated by considering a reasonable glucose amount and by accounting for the proportionality between the compounds concentrations and the glucose ratios. The approach adopted/developed in this thesis may allow a faster and more economical way for media development.

Engineering of fatty acid production and secretion in Saccharomyces cerevisiae

Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Biologia

Improvement of in silico strain engineering methods in Saccharomyces cerevisiae

PhD thesis in Bioengineering

Tempo de migração dos macrófagos em matrinxã, Brycon amazonicus, por meio da técnica de inoculação de leveduras Saccharomyces cerevisiae

Na aquicultura são utilizados análises da ativação e incremento da migração de macrófagos, com intuito de verificar a capacidade imunológica inespecífica dos peixes frente a um desafio. Neste sentido, o objetivo deste estudo foi determinar o tempo de migração de monócitos/macrófagos para a cavidade peritoneal em matrinxã, Brycon amazonicus, por meio da técnica de inoculação de leveduras Saccharomyces cerevisiae, e verificar as possíveis alterações dos parâmetros hematológicos após o estímulo. Foram utilizados 30 matrinxãs com peso médio de 101,55 ± 24,50 g e comprimento médio de 19,75 ± 1,72 cm. Os tempos de inoculação utilizados foram 2, 4, 8 e 12 horas, sendo utilizados 6 animais por tempo. Após os períodos de incubação (2, 4, 8 e 12 horas), os exemplares foram anestesiados e alíquotas de sangue foram coletadas por punção do vaso caudal, para a análise: número total de células, contagem diferencial e total dos leucócitos e contagem total de trombócitos, hematócrito, taxa de hemoglobina e índices hematimétricos (VCM, HCM e CHCM). Os resultados mostram que a capacidade fagocítica do macrófago não apresentou diferenças significativas entre os tempos experimentais. Com relação ao índice fagocítico, o tempo de 2 horas representa o tempo em que os macrófagos fagocitaram maior número de leveduras com diferenças significativas em relação aos outros tempos experimentais, indicando que este tempo (2 horas) de incubação foi suficiente para a migração e ativação máxima dos macrófagos da cavidade peritoneal, da espécie estudada. Os valores do número de eritrócitos apresentaram diferenças entre os tempos de incubação. Entretanto, os valores dos outros parâmetros hematológicos não apresentaram diferenças significativas.

Systems biology approaches for the design of novel Saccharomyces cerevisiae winemaking strains for enhanced flavour compounds synthesis

Tese de Doutoramento em Biologia Ambiental e Molecular

Evaluation of zearalenone in vitro removal by Saccharomyces cerevisiae strains isolated from bovine forage

Zearalenone (ZEN) is a mycotoxin that has relatively low acute toxicity. However, it is a potent oestrogen, interfering with the reproductive tract of animals. Among other effects, ZEN decreases animals fertility, and induces fibrosis in the uterus, breast cancer and endometrial carcinoma (Zinedine et al., 2007). Anti-mycotoxin additives (AMA) are defined as a group of products that, when added to animal feed, are capable of adsorbing, inactivating, or neutralizing mycotoxins in the gastrointestinal tract of animals. One example of these products are adsorbents based on yeast cell walls, a safe and beneficial animal feed additive (Abreu et al., 2008). When based on active cells, yeast based products also act as a probiotic, contributing to improve the general animal health because it stimulates their immune system and promotes the integrity of intestinal mucosa (Albino et al., 2006). Strains of Saccharomyces cerevisiae isolated from silage were tested for their ZEN removal capability. Their effect on - and b-zearalenol (-ZOL and b-ZOL) was also tested. Strains were grown on YPD separately supplemented with ZEN, -ZOL and b-ZOL, and their elimination from culture media was quantified over time by HPLC-FL.

Bioethanol production by Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis and Zymomonas mobilis from delignified coconut fibre mature and lignin extraction according to biorefinery concept

In search to increase the offer of liquid, clean, renewable and sustainable energy in the world energy matrix, the use of lignocellulosic materials (LCMs) for bioethanol production arises as a valuable alternative. The objective of this work was to analyze and compare the performance of Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis and Zymomonas mobilis in the production of bioethanol from coconut fibre mature (CFM) using different strategies: simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and semi-simultaneous saccharification and fermentation (SSSF). The CFM was pretreated by hydrothermal pretreatment catalyzed with sodium hydroxide (HPCSH). The pretreated CFM was characterized by X-ray diffractometry and SEM, and the lignin recovered in the liquid phase by FTIR and TGA. After the HPCSH pretreatment (2.5% (v/v) sodium hydroxide at 180 °C for 30 min), the cellulose content was 56.44%, while the hemicellulose and lignin were reduced 69.04% and 89.13%, respectively. Following pretreatment, the obtained cellulosic fraction was submitted to SSF and SSSF. Pichia stipitis allowed for the highest ethanol yield 90.18% in SSSF, 91.17% and 91.03% were obtained with Saccharomyces cerevisiae and Zymomonas mobilis, respectively. It may be concluded that the selection of the most efficient microorganism for the obtention of high bioethanol production yields from cellulose pretreated by HPCSH depends on the operational strategy used and this pretreatment is an interesting alternative for add value of coconut fibre mature compounds (lignin, phenolics) being in accordance with the biorefinery concept.

New integrative computational approaches unveil the Saccharomyces cerevisiae pheno-metabolomic fermentative profile and allow strain selection for winemaking

During must fermentation by Saccharomyces cerevisiae strains thousands of volatile aroma compounds are formed. The objective of the present work was to adapt computational approaches to analyze pheno-metabolomic diversity of a S. cerevisiae strain collection with different origins. Phenotypic and genetic characterization together with individual must fermentations were performed, and metabolites relevant to aromatic profiles were determined. Experimental results were projected onto a common coordinates system, revealing 17 statistical-relevant multi-dimensional modules, combining sets of most-correlated features of noteworthy biological importance. The present method allowed, as a breakthrough, to combine genetic, phenotypic and metabolomic data, which has not been possible so far due to difficulties in comparing different types of data. Therefore, the proposed computational approach revealed as successful to shed light into the holistic characterization of S. cerevisiae pheno-metabolome in must fermentative conditions. This will allow the identification of combined relevant features with application in selection of good winemaking strains.