Genotipagem de leveduras presentes no processo industrial de produção de álcool combustível e estudo do polimorfismo de genes envolvidos no processo fermentativo em Saccharomyces cerevisiae

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Clonagem e expressão do gene engXCA de Xanthomonas campestri pv. campestris em Saccharmyces cerevisiae e estudos das endoglucanases nativa e recombinante

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Multi-scale structural and chemical analysis of sugarcane bagasse in the process of sequential acid-base pretreatment and ethanol production by Scheffersomyces shehatae and Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Produção de hidrolisado enzimático de farinha de batata-doce para fermentação etanólica

Recently there is a great quest of producing alcohol from starchy resources, replacing the sugar cane. The most common starchy sources are cassava, maize and sweet potatoes and a lot of research are been realized with excellent results. In this work it was evaluated the influence of the concentration of dry matter on the enzymatic hydrolysis process of starch from sweet potato for ethanol production. Through the sweet potato was produced a flour using a low-cost method and easy operation equipments. The sweet potato flour was characterized physical and chemically and from these results was prepared the treatments for enzymatic hydrolysis. The experimental design considered as independent variable the dry matter concentration of the sweet potato flour in 3 levels; 10, 15 and 20% in the formulation of suspensions. The other variables were keeping constant being: temperature in the 1° hydrolysis step of 90°C and time of 2 hours; temperature in the 2° saccharification step of 60°C and time of 17 hours. The hydrolysates obtained at the three assays were transferred to six liter enlerynmeyer and inoculated with a biologic catalyst, Saccharomyces, dehydrated yeasts of Saccharomyces cerevisiae CAT 1, at a rate of 5% in weight. The flasks were placed in a shaker type orbital with controlled temperature of 30°C during a time of 15 hours. The initial reducer sugars concentration and respective ethanol concentrations in wine were: 11.2% glucose and 2.16% ethanol in the suspension with 10% of dry matter; 13.5% glucose and 4.39% ethanol with 15% and 17.5% glucose and 6.03% ethanol in suspension with 20% of dry matter. ix The results showed that the higher percentage of dry matter carried out to higher sugar yield in hydrolyzed. It was possible observed that products quality improved with a higher concentration of dry matter

Pré-tratamento e hidrólise da casca de uva para liberação de açúcares fermentescíveis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Diversity and Physiological Characterization of D-Xylose-Fermenting Yeasts Isolated from the Brazilian Amazonian Forest

Background: This study is the first to investigate the Brazilian Amazonian Forest to identify new D-xylose-fermenting yeasts that might potentially be used in the production of ethanol from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysates. Methodology/Principal Findings: A total of 224 yeast strains were isolated from rotting wood samples collected in two Amazonian forest reserve sites. These samples were cultured in yeast nitrogen base (YNB)-D-xylose or YNB-xylan media. Candida tropicalis, Asterotremella humicola, Candida boidinii and Debaryomyces hansenii were the most frequently isolated yeasts. Among D-xylose-fermenting yeasts, six strains of Spathaspora passalidarum, two of Scheffersomyces stipitis, and representatives of five new species were identified. The new species included Candida amazonensis of the Scheffersomyces clade and Spathaspora sp. 1, Spathaspora sp. 2, Spathaspora sp. 3, and Candida sp. 1 of the Spathaspora clade. In fermentation assays using D-xylose (50 g/L) culture medium, S. passalidarum strains showed the highest ethanol yields (0.31 g/g to 0.37 g/g) and productivities (0.62 g/L.h to 0.75 g/L.h). Candida amazonensis exhibited a virtually complete D-xylose consumption and the highest xylitol yields (0.55 g/g to 0.59 g/g), with concentrations up to 25.2 g/L. The new Spathaspora species produced ethanol and/or xylitol in different concentrations as the main fermentation products. In sugarcane bagasse hemicellulosic fermentation assays, S. stipitis UFMG-XMD-15.2 generated the highest ethanol yield (0.34 g/g) and productivity (0.2 g/L.h), while the new species Spathaspora sp. 1 UFMG-XMD-16.2 and Spathaspora sp. 2 UFMG-XMD-23.2 were very good xylitol producers. Conclusions/Significance: This study demonstrates the promise of using new D-xylose-fermenting yeast strains from the Brazilian Amazonian Forest for ethanol or xylitol production from sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysates.

CHEMICAL COMPOSITION OF SUGAR CANE SPIRITS FERMENTED BY DIFFERENT Saccharomyces cerevisiae YEAST STRAINS

CHEMICAL COMPOSITION OF SUGAR CANE SPIRITS FERMENTED BY DIFFERENT Saccharomyces cerevisiae YEAST STRAINS. The aim of this study was to evaluate the chemical composition of sugar cane spirits, fermented by different commercial Saccharomyces cerevisiae yeast strains and double distilled by pot still. Sugar cane juices were separately fermented by yeasts CA-11, Y-904, BG-1, PE-2, SA-1 and CAT-1 and distilled by pot still according to the methodology used for whisky production. The alcoholic liquids from first and second distillations were analyzed for concentrations of ethanol, volatile acidity, aldehydes, esters, furfural, higher alcohols and methanol. The sugar cane spirits derived from fermentation by the different yeast strains presented distinct chemical compositions.

Switching the mode of sucrose utilization by Saccharomyces cerevisiae

Abstract Background Overflow metabolism is an undesirable characteristic of aerobic cultures of Saccharomyces cerevisiae during biomass-directed processes. It results from elevated sugar consumption rates that cause a high substrate conversion to ethanol and other bi-products, severely affecting cell physiology, bioprocess performance, and biomass yields. Fed-batch culture, where sucrose consumption rates are controlled by the external addition of sugar aiming at its low concentrations in the fermentor, is the classical bioprocessing alternative to prevent sugar fermentation by yeasts. However, fed-batch fermentations present drawbacks that could be overcome by simpler batch cultures at relatively high (e.g. 20 g/L) initial sugar concentrations. In this study, a S. cerevisiae strain lacking invertase activity was engineered to transport sucrose into the cells through a low-affinity and low-capacity sucrose-H+ symport activity, and the growth kinetics and biomass yields on sucrose analyzed using simple batch cultures. Results We have deleted from the genome of a S. cerevisiae strain lacking invertase the high-affinity sucrose-H+ symporter encoded by the AGT1 gene. This strain could still grow efficiently on sucrose due to a low-affinity and low-capacity sucrose-H+ symport activity mediated by the MALx1 maltose permeases, and its further intracellular hydrolysis by cytoplasmic maltases. Although sucrose consumption by this engineered yeast strain was slower than with the parental yeast strain, the cells grew efficiently on sucrose due to an increased respiration of the carbon source. Consequently, this engineered yeast strain produced less ethanol and 1.5 to 2 times more biomass when cultivated in simple batch mode using 20 g/L sucrose as the carbon source. Conclusion Higher cell densities during batch cultures on 20 g/L sucrose were achieved by using a S. cerevisiae strain engineered in the sucrose uptake system. Such result was accomplished by effectively reducing sucrose uptake by the yeast cells, avoiding overflow metabolism, with the concomitant reduction in ethanol production. The use of this modified yeast strain in simpler batch culture mode can be a viable option to more complicated traditional sucrose-limited fed-batch cultures for biomass-directed processes of S. cerevisiae.

Composição química de aguardentes de cana-de-açúcar fermentadas por diferentes cepas de levedura Saccharomyces cerevisiae

The aim of this study was to evaluate the chemical composition of sugar cane spirits, fermented by different commercial Saccharomyces cerevisiae yeast strains and double distilled by pot still. Sugar cane juices were separately fermented by yeasts CA-11, Y-904, BG-1, PE-2, SA-1 and CAT-1 and distilled by pot still according to the methodology used for whisky production. The alcoholic liquids from first and second distillations were analyzed for concentrations of ethanol, volatile acidity, aldehydes, esters, furfural, higher alcohols and methanol. The sugar cane spirits derived from fermentation by the different yeast strains presented distinct chemical compositions.

Entwicklung und Anwendung molekularbiologischer Methoden zur Art- und Stamm-Identifizierung pro- und eukaryotischer Organismen

Das Wachstum von Milchsäurebakterien-Arten der Gattungen Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc während der Weinfermentation kann durch die Bildung verschiedener Stoffwechselprodukte zu Weinfehlern führen. Um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können und einem Weinverderb vorzubeugen, bedarf es geeigneter Identifizierungsmethoden. Klassische mikrobiologische Methoden reichen oft nicht aus, um Mikroorganismen auf Art- und Stammniveau gezielt zu identifizieren. Wegen ihrer schnellen Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit sind molekularbiologische Identifizierungsmethoden zur Kontrolle der mikrobiellen Flora während der Lebensmittelfermentierung in der heutigen Zeit unabdingbar. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden die 23S rRNA-Gensequenzen von neun Pediococcus-Typstämmen sequenziert, analysiert und phylogenetische Analysen durchgeführt. Zur Art-Identifizierung der Pediokokken wurden PCR-Primer generiert und ein Multiplex PCR System entwickelt, mit dem alle typischen Arten simultan in einer Reaktion nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Multiplex PCR-Identifizierung von 62 Pediococcus-Stämmen aus Kulturensammlungen und 47 neu isolierten Stämmen aus Wein zeigten, dass einige Stämme unter falschen Artnamen hinterlegt waren, und dass P. parvulus im Weinanbaugebiet Rheinhessen weit verbreitet war. Die Fähigkeit der Pediococcus-Stämme zur Exopolysaccharid-Synthese wurde durch den Nachweis zweier Gene überprüft. Auf Basis der 23S rDNA-Sequenzen wurden rRNA-Sekundärstrukturen mit der neu entwickelten Software Structure Star generiert, die zum Auffinden von Zielbereichen für fluoreszenzmarkierte DNA-Sonden geeignet waren. Die Sequenzunterschiede zwischen den Pediococcus-Arten reichten aus, um zwei Gruppen durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung differenzieren zu können. Die Verwendung unmarkierter Helfer-sonden verbesserte die Zugänglichkeit der Sonden an die rRNA, wodurch das Fluoreszenz-Signal verstärkt wurde. Um Milchsäurebakterien durch Denaturierende Gradienten Gel Elektrophorese differenzieren zu können, wurden Primer entwickelt, mit denen ein hochvariabler 23S rDNA-Bereich amplifiziert werden konnte. Die Nested Specifically Amplified Polymorphic DNA (nSAPD)-PCR wurde in der vorliegenden Arbeit zur Art- und Stamm-Differenzierung pro- und eukaryotischer Organismen angewandt. Es wurden vor allem weinrelevante Milchsäurebakterien der Gattungen Oenococcus, Lactobacillus, Pediococcus und Leuconostoc und Hefen der Gattungen Dekkera / Brettanomyces und Saccharomyces untersucht. Die Cluster-Analyse der Pediococcus-Typstämme führte zu einer unterschiedlichen Baum-Topologie im Vergleich zum phylogenetischen 23S rDNA-Stammbaum. Die Verwandtschaftsverhältnisse der untersuchten O. oeni-Stämme aus Starterkulturen konnten in Bezug auf eine frühere Cluster-Analyse reproduziert werden. Die Untersuchung von 40 B. bruxellensis-Stämmen aus rheinhessischen Weinproben zeigte eine Gruppierung der Stämme gemäß dem Ort der Probennahme. Beim Vergleich der Verwandtschaftsverhältnisse von Stämmen der Arten P. parvulus und B. bruxellensis, die aus denselben Weinproben isoliert wurden, konnte eine hohe Übereinstimmung der beiden Baum-Topologien beobachtet werden. Anhand der SAPD-PCR Untersuchung von Sekthefen aus Starterkulturen konnten alle Stämme der Art S. cerevisiae zugeordnet werden. Die nSAPD-PCR war darüber hinaus geeignet, um höhere Eukaryoten wie Weinreben zu differenzieren und es konnten die Verwandtschaftsverhältnisse von Mäusen und menschlichen Individuen durch Cluster-Analysen nachvollzogen werden. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik wurden (n)SAPD-Marker in SCAR-Marker konvertiert. Die neu generierten SCAR-Primer konnten zur simultanen Art-Identifizierung von sieben weinschädlichen Milchsäurebakterien in einer Multiplex PCR erfolgreich eingesetzt werden. Die in dieser Arbeit entwickelten molekularbiologischen Identifizierungsmethoden können zum Beispiel in der mikrobiologischen Qualitätskontrolle Anwendung finden.

Identifizierung, Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Hefen im Wein

Hefen stellen einen großen und wichtigen Teil der Mikrobiota während der Weinbereitung dar, da ohne ihre alkoholische Fermentation die Umwandlung von Most und Wein nicht möglich wäre. Ferner ist es ihre Vielzahl an Stoffwechselprodukten, die dem Aroma des fertigen Weines eine zusätzliche Komplexität verleihen. Auf der anderen Seite steht durch den Metabolismus verschiedenster so genannter Wildhefen die Gefahr von Qualitätsabstufungen der Weine, was allgemein als „Weinfehler“ betrachtet wird. Ziel dieser Arbeit war zum einen die taxonomische Einordnung von Saccharomyces-Spezies, sowie die Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Wildhefen während der Weinbereitung.rnEin Teil dieser Arbeit umfasste die Identifizierung der nahverwandten Mitglieder der Saccharomyces sensu stricto-Gruppe. Durch den Einsatz des DNA-Fingerpinting-Systems SAPD-PCR konnten alle die Gruppe umfassenden Spezies anhand spezifischer Bandenmuster nachgewiesen werden, wodurch eine Einordnung dieser schwer zu differenzierenden Arten möglich war. Die Differenzierung zwischen den einzelnen Spezies war in jedem Fall deutlicher als dies die Sequenzierung der 5.8S rDNA und ihre flankierenden ITS-Regionen vermochte. Die SAPD-PCR zeichnete sich zudem durch eine geringe Muster-Varianz bei verschiedenen Stämmen einer Art aus und konnte zuverlässig unbekannte Stämme bestimmen und bereits hinterlegte Stämme neu klassifizieren. Zudem konnte mit Hilfe dieses Systems Hybride aus Saccharomyces cerevisiae und S. bayanus bzw. S. cerevisiae und S. kudriavzevii detektiert werden, wenn diese Hybride aus relativ gleichen genomischen Anteilen der Eltern bestanden. rnZusätzlich wurde ein quantitatives PCR-System entwickelt, um die Gattungen Saccharomyces, Hanseniaspora und Brettanomyces in Most und Wein detektieren und quantifizieren zu können. Die hierfür entwickelten Primer zeigten sich spezifisch für die untersuchten Arten. Durch die serielle Verdünnung definierter DNA-Mengen konnte für alle drei Systeme eine Kalibrierungskurve erstellt werden, mit Hilfe derer die tatsächlichen Quantifizierungen durchgeführt wurden. Die qPCR-Analyse lieferte ähnliche Zellzahlen wie Lebendzellzahl-Bestimmungen und wurde nicht von anderen Spezies und von Traubensaft gestört. Die maximal detektierbare Zellzahl betrug 2 x 107 Zellen/ml, während die minimale Detektionsgrenze je nach Art zwischen 1 x 102 Zellen/ml und 1 x 103 Zellen/ml lag. Allerdings konnte eine effektive DNA-Isolierung dieser geringen Zellzahlen nur erreicht werden, wenn die Zellzahl durch artfremde Hefen künstlich erhöht wurde. Die Analyse einer Most-Vergärung mit den drei Spezies zeigte schlussendlich, dass die quantitative PCR sicher und schnell Veränderungen und Sukzessionen detektiert und so ein geeignetes Mittel darstellt, um Populationsdynamiken während der Weinherstellung zu beobachten. rnDer letzte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Inhibierung von Schadhefen durch zellwand-hydrolysierende Enzyme. Es konnte hierbei eine endoglykosidisch wirkende β-1,3-Glucanase aus dem Bakterium Delftia tsuruhatensis isoliert werden. Diese besaß eine ungefähre Masse von 28 kDa, einen isolektrischen Punkt von ca. 4,3 und wirkte mit einer spezifischen Aktivität von 10 U/mg Protein gegen das Glucan Laminarin. Zudem zeigte das Enzym ein Temperaturoptimum von 50 °C und ein pH-Optimum bei pH 4,0. Weinparameter wie erhöhte Konzentrationen an Ethanol, Phenolen und Sulfit beeinflussten die Wirkung des Enzyms nicht oder nur wenig. Neben der allgemeinen Wirkung gegen β-1,3-Glucane konnte hier auch gezeigt werden, dass ebenso gut die β-1,3-Glucane in der Zellwand verschiedener Hefen hydrolysiert wurden. Fluoreszenz- und rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Hefezellen nach Inkubation mit der β-1,3-Glucanase zeigten zusätzlich die Zerstörung der Zelloberfläche der Hefen. Die lytische Wirkung des Enzyms wurde an verschiedenen weintypischen Hefen getestet. Hierbei zeigten sich stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität gegenüber dem Enzym. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sowohl Wachstumsphase als auch Medium der Hefen Einfluss auf deren Zellwand hat und somit auch auf die Wirkung des Enzyms.rn

Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur zeitnahen Identifizierung weinrelevanter Mikroorganismen

Hefen der Gattung Saccharomyces und Milchsäurebakterien sind bei der Weinbereitung von besonderer Bedeutung. Neben der alkoholischen Gärung sind Hefen an der Ausbildung von Aromastoffen beteiligt. Milchsäurebakterien spielen eine Rolle beim biologischen Säureabbau (malolaktische Fermentation), können jedoch aufgrund ihrer Stoffwechseleigenschaft weitere Aromamodifikationen bewirken. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Flora zu verschiedenen Zeitpunkten der Weinbereitung hat einen direkten Einfluss auf die Qualität der Weine, welche sich sowohl positiv als auch negativ verändern kann. Daher ist die zuverlässige Identifizierung und Differenzierung verschiedener Mikroorganismen auf Art- aber auch Stamm-Ebene während der Vinifikation von Bedeutung.rnDer erste Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Differenzierung von Hefearten der Gattung Saccharomyces, welche mit Hilfe konventioneller Methoden nicht eindeutig identifiziert werden können. Unter Verwendung des DNA-Fingerprintverfahrens Specifically Amplified Polymorphic DNA (SAPD)-PCR sowie der Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-Time-Of-Flight-Mass-Spectrometry (MALDI-TOF-MS) war eine Differenzierung dieser taxonomisch sehr nah verwandten Arten möglich. Weiterhin konnten interspezifische Hybridstämme detektiert werden. In diesem Zusammenhang wurde der Hybridcharakter des Stammes NCYC 3739 (S. cerevisiae x kudriavzevii) entdeckt. Um die Elternspezies eines Hybridstamms zuverlässig zu bestimmen, sind weiterführende Genanalysen notwendig. Hierzu konnte eine Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP)-Analyse verschiedener genetischer Marker erfolgreich herangezogen werden.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde weiterhin ein Schnellidentifizierungssystem zum Nachweis weinrelevanter Milchsäurebakterien entwickelt. Mit Hilfe der Sequence Characterized Amplified Region (SCAR)-Technik konnten artspezifische Primer generiert werden, welche auf der Grundlage charakteristischer Fragmente der SAPD-PCR abgeleitet wurden. Durch die Anwendung dieser Primer in einer Multiplex-PCR-Reaktion war die Detektion verschiedener, einerseits häufig in Wein vorkommender und andererseits potentiell an der Ausbildung von Weinfehlern beteiligter Milchsäurebakterien-Arten möglich. Die ermittelte Nachweisgrenze dieser Methode lag mit 10^4 - 10^5 Zellen/ml im Bereich der Zelltiter, die in Most und Wein anzutreffen sind. Anhand der Untersuchung verschiedener Weinproben von Winzern in Rheinhessen wurde die Praxistauglichkeit dieser Methode demonstriert. rnUm die gesamten Milchsäurebakterien-Population im Verlauf der Weinbereitung zu kontrollieren, kann die Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese herangezogen werden. Hierzu wurden in dieser Arbeit Primer zur Amplifikation eines Teilbereichs des rpoB-Gens abgeleitet, da dieses Gen eine Alternative zur 16S rDNA darstellt. Die DNA-Region erwies sich als geeignet, um zahlreiche weinrelevante Milchsäurebakterien-Arten zu differenzieren. In einigen ersten Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese Methode für eine praktische Anwendung in Frage kommt.rnOenococcus oeni ist das wichtigste Milchsäurebakterien während der malolaktischen Fermentation und wird häufig in Form kommerzieller Starterkulturen eingesetzt. Da verschiedene Stämme unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, ist es von Bedeutung, die Identität eines bestimmten Stammes zweifelsfrei feststellen zu können. Anhand der Analyse verschiedener O. oeni-Stämme aus unterschiedlichen Weinbaugebieten konnte gezeigt werden, dass sowohl die nested SAPD-PCR als auch die MALDI-TOF-MS genügend Sensitivität aufweisen, um eine Unterscheidung auf Stamm-Ebene zu ermöglichen, wobei die mittels nSAPD-PCR ermittelten Distanzen der Stämme zueinander mit deren geographischer Herkunft korrelierte.rnDie in der vorliegenden Arbeit entwickelten Methoden können dazu beitragen, den Prozess der Weinherstellung besser zu kontrollieren und so eine hohe Qualität des Endproduktes zu gewährleisten.rn

Effects of potentised substances on growth kinetics of Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe

BACKGROUND: Homeopathic potencies are used as specific remedies in complementary medicine. Since the mode of action is unknown, the presumed specificity is discussed controversially. OBJECTIVE: This study investigated the effects of potentised substances on two yeast species, Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe, in a stable and reliable test system with systematic negative controls. MATERIALS AND METHODS: Yeast cells were cultivated in either potentised substances or water controls in microplates and their growth kinetics were measured photometrically. Water control runs were performed repeatedly to investigate the stability of the experimental set-up (systematic negative controls). RESULTS: 4 out of 14 screened substances seem to have affected the growth curve parameters slope or yield. Out of these substances, azoxystrobin and phosphorus were chosen for 8 further replication experiments, which partly confirmed the results of the screening. On the average of all experiments, azoxystrobin affected the slope of the growth curve of Saccharomyces cerevisiae (p < 0.05), and phosphorus affected the slope of the growth curve of Schizosaccharomyces pombe (p < 0.05). No effects were seen in the water control runs. In addition, significant interactions between treatment with potentised substances and experiment number were observed in all experiments with potentised substances (p < 0.01), but not in the water control runs. CONCLUSIONS: Both yeast species reacted to certain potentised substances by changing their growth kinetics. However, the interactions found point to additional factors of still unknown nature, that modulate the effects of potentised substances. This stable test system with yeasts may be suitable for further studies regarding the efficacy of homeopathic potencies.

Optimization of ethanol production by yeasts from lignocellulosic feedstocks

Ethanol from lignocellulosic feedstocks is not currently competitive with corn-based ethanol in terms of yields and commercial feasibility. Through optimization of the pretreatment and fermentation steps this could change. The overall goal of this study was to evaluate, characterize, and optimize ethanol production from lignocellulosic feedstocks by the yeasts Saccharomyces cerevisiae (strain Ethanol Red, ER) and Pichia stipitis CBS 6054. Through a series of fermentations and growth studies, P. stipitis CBS 6054 and S. cerevisiae (ER) were evaluated on their ability to produce ethanol from both single substrate (xylose and glucose) and mixed substrate (five sugars present in hemicellulose) fermentations. The yeasts were also evaluated on their ability to produce ethanol from dilute acid pretreated hydrolysate and enzymatic hydrolysate. Hardwood (aspen), softwood (balsam), and herbaceous (switchgrass) hydrolysates were also tested to determine the effect of the source of the feedstock. P. stipitis produced ethanol from 66-98% of the theoretical yield throughout the fermentation studies completed over the course of this work. S. cerevisiae (ER) was determined to not be ideal for dilute acid pretreated lignocellulose because it was not able to utilize all the sugars found in hemicellulose. S. cerevisiae (ER) was instead used to optimize enzymatic pretreated lignocellulose that contained only glucose monomers. It was able to produce ethanol from enzymatically pretreated hydrolysate but the sugar level was so low (>3 g/L) that it would not be commercially feasible. Two lignocellulosic degradation products, furfural and acetic acid, were evaluated for whether or not they had an inhibitory effect on biomass production, substrate utilization, and ethanol production by P. stipitis and S. cerevisiae (ER). It was determined that inhibition is directly related to the concentration of the inhibitor and the organism. The final phase for this thesis focused on adapting P. stipitis CBS 6054 to toxic compounds present in dilute acid pretreated hydrolysate through directed evolution. Cultures were transferred to increasing concentrations of dilute acid pretreated hydrolysate in the fermentation media. The adapted strains’ fermentation capabilities were tested against the unadapted parent strain at each hydrolysate concentration. The fermentation capabilities of the adapted strain were significantly improved over the unadapted parentstrain. On media containing 60% hydrolysate the adapted strain yielded 0.30 g_ethanol/g_sugar ± 0.033 (g/g) and the unadapted parent strain yielded 0.11 g/g ±0.028. The culture has been successfully adapted to growth on media containing 65%, 70%, 75%, and 80% hydrolysate but with below optimal ethanol yields (0.14-0.19 g/g). Cell recycle could be a viable option for improving ethanol yields in these cases. A study was conducted to determine the optimal media for production of ethanol from xylose and mixed substrate fermentations by P. stipitis. Growth, substrate utilization, and ethanol production were the three factors used to evaluate the media. The three media tested were Yeast Peptone (YP), Yeast Nitrogen Base (YNB), and Corn Steep Liquor (CSL). The ethanol yields (g/g) for each medium are as follows: YP - 0.40-0.42, YNB -0.28-.030, and CSL - 0.44-.051. The results show that media containing CSL result in slightly higher ethanol yields then other fermentation media. P. stipitis was successfully adapted to dilute acid pretreated aspen hydrolysate in increasing concentrations in order to produce higher ethanol yields compared to the unadapted parent strain. S. cerevisiae (ER) produced ethanol from enzymatic pretreated cellulose containing low concentrations of glucose (1-3g/L). These results show that fermentations of lignocellulosic feedstocks can be optimized based on the substrate and organism for increased ethanol yields.

A mutation in the human ortholog of the Saccharomyces cerevisiae ALG6 gene causes carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome type-Ic

Carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome (CDGS) represents a class of genetic diseases characterized by abnormal N-linked glycosylation. CDGS patients show a large number of glycoprotein abnormalities resulting in dysmorphy, encephalopathy, and other organ disorders. The majority of CDGSs described to date are related to an impaired biosynthesis of dolichyl pyrophosphate-linked Glc3Man9GlcNAc2 in the endoplasmic reticulum. Recently, we identified in four related patients a novel type of CDGS characterized by an accumulation of dolichyl pyrophosphate-linked Man9GlcNAc2. Elaborating on the analogy of this finding with the phenotype of alg5 and alg6 Saccharomyces cerevisiae strains, we have cloned and analyzed the human orthologs to the ALG5 dolichyl phosphate glucosyltransferase and ALG6 dolichyl pyrophosphate Man9GlcNAc2 alpha1,3-glucosyltransferase in four novel CDGS patients. Although ALG5 was not altered in the patients, a C-->T transition was detected in ALG6 cDNA of all four CDGS patients. The mutation cosegregated with the disease in a Mendelian recessive manner. Expression of the human ALG5 and ALG6 cDNA could partially complement the respective S. cerevisiae alg5 and alg6 deficiency. By contrast, the mutant ALG6 cDNA of CDGS patients failed to revert the hypoglycosylation observed in alg6 yeasts, thereby proving a functional relationship between the alanine to valine substitution introduced by the C-->T transition and the CDGS phenotype. The mutation in the ALG6 alpha1,3-glucosyltransferase gene defines an additional type of CDGS, which we propose to refer to as CDGS type-Ic.