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.

Verificação da adaptação à galactose e à maltose de células de Saccharomyces carlsbergensis

Células de 5. carlsbergensis crescidas em meio de cultura DPE diferenciados apenas em sua principal fonte de carbono (glicose, galactose e maltose) tiveram diferentes comportamentos quando postas a fermentar glicose, galactose, maltose e rafinose, em manômetro de Warburg. Presume-se que sejam enzimas constitutivos para o citado microorganismo, sacarase e hexoquinase e enzimas adaptativos, maltase, alfa-galactosidase e galactowaldenase.

Capacidade fermentativa de Saccharomyces cerevisiae enriquecida com ácidos graxos

Levedura de panificaçao (Saccharomyces cerevisiae) foi obtida anaerobicamente (sem e com adição dos ácidos graxos palmítico, oleico e linoleico) e aerobicamente e utilizada em ensaios de fermentação com 14% e 16% de sacarose a 32°C. Não houve diferenças significativas, quanto a viabilidade celular, entre os tratamentos das leveduras com ácido oleico, ácido linoleico e aerobicamente (as quais foram ricas em palmitoleico e oleico). As leveduras enriquecidas com ácido palmítico e anaeróbicas apresentaram maior redução na viabilidade do que com ácidos graxos insaturados. Foi observado um aumento na produção de ácido pirúvico e uma redução nos álcoois superiores com a redução da viabilidade celular.

Acúmulo de trealose em linhagens de Saccharomyces durante fermentação alcoólica

A pesquisa foi realizada para comparar os efeitos de diversos fatores (temperatura, pH, concentração de sacarose, 2,4-dinitrofenol e fontes de nitrogênio) sobre a produção de trealose em Saccharomyces uvarum IZ-1904 e Saccharomyces cerevisiae (M-300-A e de panificaçao) durante a fermentação alcoólica. Com a levedura IZ-1904 houve menor produção de trealose do que M-300-A e de panificaçao. A trealose foi formada em maior quantidade (p < 0,05) a 34°C. Em pH 4,5 houve maior acúmulo de trealose do que em pH 3,0 para as leveduras M-300-A e de panificaçao. A adição de 18ppm de 2,4-dinitrofenol acarretou decréscimo (p < 0,05) na quantidade de trealose formada pela levedura de panificaçao e sem efeito para IZ-1904. O aumento da concentração de sacarose ocasionou a maior produção de trealose.

Efeito do nitrito sobre a fermentação alcoólica realizada por Saccharomyces cerevisiae

O efeito de concentrações de até 80 ppm de nitrito sobre a fermentação alcoólica foi estudado com levedura de panificação (Saccharomyces cerevisiae). Houve aumento no tempo de fermentação com adição de nitrito sem afetar a produção de etanol. Com a adição de 60 e 80 ppm de NO2-, ocorreu redução na viabilidade celular e brotamento acompanhada por aumento no acúmulo de trealose e glicogênio. Aumentando a concentração de nitrito houve aumento no álcool n-propílico e redução nos teores de álcoois isobutílico e isoamílico.

Produção de glicerol por linhagens de Saccharomyces durante fermentação alcoólica

A pesquisa foi realizada para comparar os efeitos de diversos fatores (temperatura, pH, concentração de sacarose, 2,4-dinitrofenol e fontes de nitrogênio) sobre a produção de glicerol por Saccharomyces uvarum IZ-1904 e Saccharomyces cerevisiae (M-3 00A e de panificação) durante a fermentação alcoólica. A quantidade de glicerol foi fortemente influenciada pela linhagem da levedura. Com a levedura IZ-1904 houve menor produção de glicerol do que M-300-A e de panificação em todas as condições estudadas. Mais glicerol foi significativamente formado por fermentação a 34°C do que a 25°C e 12°C. Em pH 4.5 houve maior produção de glicerol do que a pH 3.0. A adição de 18 ppm de 2,4-dinitrofenol provocou decréscimo no glicerol formado e esse decréscimo foi maior com as leveduras M-300-A e de panificação do que com IZ-1904. O aumento da concentração de sacarose levou a maior produção de glicerol.

Anàlisi del metabolisme lipídic de saccharomyces cerevisiae en fermentacions a baixes temperatures

El objetivo de este trabajo se centró en mejorar el comienzo de las fermentaciones a bajas temperaturas (13ºC ) por parte de Saccharomyces cerevisiae. Generalmente las bajas temperaturas ocasionan largas fases de latencia, fermentaciones lentas e incluso paradas. Primeramente se evaluaron las consecuencias de la conservación en condiciones inadecuadas de la levadura seca activa; analizando las alteraciones de los lípidos de la membrana y la repepercusión sobre la viabilidad i vitalidad. La fluidez de la membrana se determinó por ansinotropía y también se estudió la composición lipídica. En análisis estadísticos se vió una correlación alta y positiva entre ácidos grasos insaturados y la vitalidad de las levaduras a 13ºC por lo que se decidió utilizar la adición de diferentes ácidos grasos en precultivos. Seguidamente se determinó la viabilidad, capacidad fermentativa a 13ºC y la composición lipídica. Posteriormente se trabajó con la mejora de la tolerancia al estrés por bajas temperaturas seleccionando entre diferentes cepas vínicas comerciales del género Saccharoyces la especie con mejor capacidad fermentativa a 13ºC. Se estudiaron los efectos de un precultivo a bajas temperaturas comparándolo con una temperatura control sobre diferentes parámetros cinéticos y correlacionando con la composición lipídica. Finalmente, se estudió la mejora por deleción de genes del metabolismo de los fosfolípidos. La supresión de determinados genes tiene resultados favorables o desfavorables sobre la vitalidad de las células a 25ºC y a 13ºC. Se determinaron los tiempos de generación y se realizaron goteos sobre medio sólido. Por último se analizó el efecto de la supresión de los genes sobre la síntesis de las diferentes familias de fosfolípidos.

Divergent functions of three Candida albicans zinc-cluster transcription factors (CTA4, ASG1 and CTF1) complementing pleiotropic drug resistance in Saccharomyces cerevisiae.

One of the mediators of pleiotropic drug resistance in Saccharomyces cerevisiae is the ABC-transporter gene PDR5. This gene is regulated by at least two transcription factors with Zn(2)-Cys(6) finger DNA-binding motifs, Pdr1p and Pdr3p. In this work, we searched for functional homologues of these transcription factors in Candida albicans. A C. albicans gene library was screened in a S. cerevisiae mutant lacking PDR1 and PDR3 and clones resistant to azole antifungals were isolated. From these clones, three genes responsible for azole resistance were identified. These genes (CTA4, ASG1 and CTF1) encode proteins with Zn(2)-Cys(6)-type zinc finger motifs in their N-terminal domains. The C. albicans genes expressed in S. cerevisiae could activate the transcription of a PDR5-lacZ reporter system and this reporter activity was PDRE-dependent. They could also confer resistance to azoles in a S. cerevisiae strain lacking PDR1, PDR3 and PDR5, suggesting that CTA4-, ASG1- and CTF1-dependent azole resistance can be caused by genes other than PDR5 in S. cerevisiae. Deletion of CTA4, ASG1 and CTF1 in C. albicans had no effect on fluconazole susceptibility and did not alter the expression of the ABC-transporter genes CDR1 and CDR2 or the major facilitator gene MDR1, which encode multidrug transporters known as mediators of azole resistance in C. albicans. However, additional phenotypic screening tests on the C. albicans mutants revealed that the presence of ASG1 was necessary to sustain growth on non-fermentative carbon sources (sodium acetate, acetic acid, ethanol). In conclusion, C. albicans possesses functional homologues of the S. cerevisiae Pdr1p and Pdr3p transcription factors; however, their properties in C. albicans have been rewired to other functions.

Microautophagy in the yeast Saccharomyces cerevisiae.

Microautophagy involves direct invagination and fission of the vacuolar/lysosomal membrane under nutrient limitation. In Saccharomyces cerevisiae microautophagic uptake of soluble cytosolic proteins occurs via an autophagic tube, a highly specialized vacuolar membrane invagination. At the tip of an autophagic tube vesicles (autophagic bodies) pinch off into thevacuolar lumen for degradation. Formation of autophagic tubes is topologically equivalent to other budding processes directed away from the cytosolic environment, e.g., the invagination of multivesicular endosomes, retroviral budding, piecemeal microautophagy of the nucleus and micropexophagy. This clearly distinguishes microautophagy from other membrane fission events following budding toward the cytosol. Such processes are implicated in transport between organelles like the plasma membrane, the endoplasmic reticulum (ER), and the Golgi. Over many years microautophagy only could be characterized microscopically. Recent studies provided the possibility to study the process in vitro and have identified the first molecules that are involved in microautophagy.