From gene to protein: Investigating the disease etiology of retinitis pigmentosa

Retinitis pigmentosa (RP) is a name given to a group of inherited retinal dystrophies that lead to progressive photoreceptor degeneration, and thus, visual impairment. It is evident at both the clinical and the molecular level that these are heterogeneous disorders, with wide variation in severity, mode of inheritance, and phenotype. The genetics of RP are not simple; the disease can be inherited in dominant, recessive, X-linked, and digenic modes. Autosomal dominant RP (adRP) results from mutations in at least ten mapped loci, but there may be dozens of genetic loci where mutations can cause RP. To date, there are over a hundred genes known to cause retinal degenerative diseases, and less than half of these have been cloned (RetNet). Among the dozens of retinitis pigmentosa loci known to exist, only a few have been identified and the remainders are inferred from linkage studies. Today, the genes for seven of the twelve-adRP loci have been identified, and these are rhodopsin, peripherin/RDS, NRL, ROM1, CRX, RP13 and RP1. My research projects involved a combination of the continued search for genes involved in retinal dystrophies, as well the investigation into the role of peripherin/RDS and RP1 in the disease etiology of autosomal dominant RP. ^ Most of the mutations leading to inherited retinal disorders have been identified in predominately retina expressed genes like rhodopsin, peripherin/RDS, and RP1. Expressed sequence tags (ESTs) that were retina-specific were culled from sequence databases and, together with laboratory analysis, were analyzed as potential candidate genes for retinal dystrophies. Thirteen of the fifty-five identified retina-specific ESTs mapped to within candidate regions for inherited retinopathies. One of these is RP1L1, a homologue of RP1 and a potential cause of adRP. ^ Once a disease-associated gene has been identified, elucidating the role of that gene in the visual process is essential for understanding what happens when the process is defective as it is in adRP. My next projects involved investigating the role of a novel 5′ donor +3 splice site mutation on the mRNA of peripherin/RDS in adRP affected individuals, and comparative sequencing in RP1 to define conserved regions of the protein. Comparative sequencing is a powerful way to delineate critical regions of a sequence because different regions of a gene have different functions, and each region is subject to different levels of functional or structural constraints. Establishing a framework of conserved domains is beneficial not only for structural or functional studies, but can also aid in determining the potential effects of mutations. With the completion of sequencing of human genome, and other organisms such as Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans , and Drosophila, the facility of comparative sequencing will only increase in the future. Comparative sequencing has already become an established procedure for pinpointing conserved regions of a protein, and is an efficient way to target regions of a protein for experimental and/or evolutionary analysis. ^

Involvement of histone H3 methylation in Tup1-Ssn6 repression

The Tup1-Ssn6 complex regulates the expression of diverse classes of genes in Saccharomyces cerevisiae including those regulated by mating type, DNA damage, glucose, and anaerobic stress. The complex is recruited to target genes by sequence-specific repressor proteins. Once recruited to particular promoters, it is not completely clear how it functions to block transcription. Repression probably occurs through interactions with both the basal transcriptional machinery and components of chromatin. Tup1 interactions with chromatin are strongly influenced by acetylation of histories H3 and H4. Tup1 binds to underacetylated histone tails and requires multiple histone deacetylases (HDACs) for its repressive functions. Like acetylation, histone methylation is involved in regulation of gene expression. The possible role of histone methylation in Tup1 repression is not known. Here we examined possible roles of histone methyltransferases in Tup1-Ssn6 functions. We found that like other genes, Tup1-Ssn6 target genes exhibit increases in the levels of histone H3 lysine 4 methylation upon activation. However, deletion of individual or multiple histone methyltransferases (HMTs) and other SET-domain containing genes has no apparent effect on Tup1-Ssn6 mediated repression of a number of well-defined targets. Interestingly, we discovered that Ssn6 interacts with Set2. Since deletion of SET2 does not affect Tup1-Ssn6 repression, Ssn6 may utilize Set2 in other contexts to regulate gene repression. In order examine if the two components of the Tup1-Ssn6 complex have independent functions in the cell, we identified genes differentially expressed in tup1Δ and ssn6Δ mutants using DNA microarrays. Our data indicate that ∼4% of genes in the cell are regulated by Ssn6 independently of Tup1. In addition, expression of genes regulated by Tup1-Ssn6 seems to be differently affected by deletion of Ssn6 and deletion of Tup1, which indicates that these components might have separate functions. Our data shed new light on the classical view of Tup1-Ssn6 functions, and indicate that Ssn6 might have repressive functions as well. ^

Alternative carbon metabolism: Virulence and regulation in Candida albicans

The interaction between C. albicans and innate immune cells is a key determinant to disease progression. Transcriptional profiling showed that C. albicans responds to macrophage phagocytosis by inducing pathways required for alternative carbon metabolism (beta-oxidation, the glyoxylate cycle, and gluconeogenesis), suggesting these pathways are important for virulence of C. albicans. ^ We have shown that deleting key genes (FOX2, FBP1) in these pathways results in virulence defects in an in vivo mouse model for systemic infection. Like icl1Δ/Δ mutants, fbp1Δ/Δ mutants are severely attenuated and fox2Δ/Δ mutants are mildly but significantly attenuated, indicating that carbon starvation is a relevant stress in vivo. ^ However, fox2Δ/Δ mutants also had unexpected phenotypes on certain carbon sources, unlike the case in Saccharomyces cerevisiae, suggesting these pathways are regulated differently in C. albicans. To test this, we identified the C. albicans regulators of these pathways based on those from S. cerevisiae and Aspergillus nidulans. ^ C. albicans has a partly conserved framework, but lacks two regulators (Oaf1p, Pip2p) controlling peroxisome biogenesis and beta-oxidation genes in yeast. Instead, C. albicans has a homolog, CTF1, of the A. nidulans fatty acid catabolism regulators FarA and FarB. We have shown that CTF1 is needed for growth on oleate (like FarA and FarB), expression of beta-oxidation and glyoxylate cycle genes, and full virulence. No function for CTF1 has previously been identified in C. albicans. Our data demonstrate a role for alternative carbon metabolism in the virulence of C. albicans and suggest that the regulation of these pathways is a mixture of the filamentous fungi and budding yeast systems. ^

REGULATION OF ALTERNATIVE CARBON METABOLISM IN CANDIDA ALBICANS

Candida albicans is the most important fungal pathogen of humans. Transcript profiling studies show that upon phagocytosis by macrophages, C. albicans undergoes a massive metabolic reorganization activating genes involved in alternative carbon metabolism, including the glyoxylate cycle, β-oxidation and gluconeogenesis. Mutations in key enzymes such as ICL1 (glyoxylate cycle) and FOX2 (fatty acid β-oxidation) revealed that alternative carbon metabolic pathways are required for full virulence in C. albicans. These studies indicate C. albicans uses non-preferred carbon sources allowing its adaptation to microenvironments were nutrients are scarce. It has become apparent that the regulatory networks required for regulation of alternative carbon metabolism in C. albicans are considerably different from the Saccharomyces cerevisiae paradigm and appear more analogous to the Aspergillus nidulans systems. Well-characterized transcription factors in S. cerevisiae have no apparent phenotype or are missing in C. albicans. CTF1 was found to be a single functional homolog of the A. nidulans FarA/FarB proteins, which are transcription factors required for fatty acid utilization. Both FOX2 and ICL1 were found to be part of a large CTF1 regulon. To increase our understanding of how CTF1 regulates its target genes, including whether regulation is direct or indirect, the FOX2 and ICL1 promoter regions were analyzed using a combination of bioinformatics and promoter deletion analysis. To begin characterizing the FOX2 and ICL1 promoters, 5’ rapid amplification of cDNA ends (5’RACE) was used to identify two transcriptional initiation sites in FOX2 and one in ICL1. GFP reporter assays show FOX2 and ICL1 are rapidly expressed in the presence of alternative carbon sources. Both FOX2 and ICL1 harbor the CCTCGG sequence known to be bound by the Far proteins, hence rendering the motif as a putative CTF1 DNA binding element. In this study, the CCTCGG sequence was found to be essential for FOX2 regulation. However, this motif does not appear to be equally important for the regulation of ICL1. This study supports the notion that although C. albicans has diverged from the paradigms of model fungi, C. albicans has made specific adaptations to its transcription-based regulatory network that may contribute to its metabolic flexibility.

Nitrógeno prontamente asimilable : efecto sobre la velocidad de fermentación del jugo de uva (Vitis vinifera L.)

El propósito de este trabajo fue evaluar la incidencia de la concentración de nitrógeno prontamente asimilable (NPA) sobre la velocidad y duración de la fermentación alcohólica de los mostos de uva. El experimento se diseñó con tres tratamientos (A=testigo; B=agregado de PO4H(NH4)2 50 mg/L; C=agregado de PO4H(NH4)2 100 mg/L) y cuatro repeticiones. Se realizaron microvinificaciones con jugo de uva pasteurizado var. Chardonnay, inoculado con Saccharomyces cerevisiae cepa FCA 32. La fermentación se condujo a 25 °C. La concentración de NPA fue medida por titulación en medio formol. La velocidad de fermentación fue determinada por pérdida de peso. La velocidad máxima de fermentación se alcanzó al tercer día. Existen diferencias significativas entre la velocidad máxima alcanzada por el testigo y por los tratamientos B y C pero no hay diferencias significativas entre las velocidades máximas alcanzadas por los tratamientos B y C. La velocidad máxima de fermentación alcanzada por el tratamiento B (agregado de 50 mg/L de PO4H(NH4)2) fue 57 % superior respecto del testigo, mientras que el tratamiento C (agregado de 100 mg/L de PO4H(NH4)2) fue 53 % superior respecto del mismo testigo La velocidad máxima de fermentación aumentó con la adición de nitrógeno, pero no se observan diferencias entre las distintas dosis empleadas. La duración media de la fermentación resulta significativamente diferente para los tres tratamientos: 9.25 días para el testigo, 7.5 días para el tratamiento B y 6.25 días para el tratamiento C. El agregado de PO4H(NH4)2 disminuye la duración de la fermentación en las condiciones de trabajo. La duración de la fermentación del tratamiento B (agregado de 50 mg/L de PO4H(NH4)2) fue del 81 % respecto del testigo 100 %, mientras que el tratamiento C (agregado de 100 mg/L de PO4H(NH4)2) fue del 67 %, respecto del mismo testigo.

Caracterización de un cepario de levaduras para uso enológico mediante técnicas moleculares

La Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad Nacional de Cuyo posee una colección de levaduras vínicas provenientes de Departamentos de importancia vitivinícola de la provincia de Mendoza. Esta colección ha sido constituida a fin de disponer de material para su uso de acuerdo a diferentes objetivos enológicos. La finalidad de este estudio fue caracterizar microorganismos representantes de esta colección mediante técnicas moleculares. Para un total de 56 cepas analizadas se encontraron 39 patrones diferentes según la técnica de diferenciación intraespecífica para S. cerevisiae, PCR interdelta. La mayoría de las levaduras analizadas mostraron un perfil molecular único, aunque se observaron algunas coincidencias. Cinco patrones moleculares interdelta agruparon individuos que presentaron similitudes en su perfil de bandas aún cuando fenotípicamente habían sido considerados como diferentes en trabajos anteriores. Mediante la construcción de un dendrograma, utilizando la metodología UPGMA, se realizó el agrupamiento de los patrones PCR interdelta obtenidos para todas las cepas analizadas, con la finalidad de visualizar cómo se relacionan y/o agrupan la totalidad de los individuos en base a las semejanzas en sus perfiles moleculares. Por otro lado, se analizó la similitud encontrada a nivel molecular entre cepas con respecto a las características fenotípicas generales y de importancia tecnológica para poder comparar si su comportamiento también fue similar a este nivel, observándose que las cepas agrupadas en tres de estos cinco patrones repetidos, también presentaron similitudes en las mencionadas características coincidiendo también en su procedencia. Por otro lado, se realizó una comparación visual de los principales patrones obtenidos con respecto a patrones Interdelta de cepas comerciales, pudiendo verificarse la similitud de dos patrones de la colección con aislados comerciales. Con el propósito de confirmar si efectivamente las levaduras que presentaron similitud según el análisis interdelta, corresponden a una misma cepa, se realizó un nuevo análisis intraespecífico aplicando otro marcador molecular: polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción del ADN mitocondrial (RFLP del ADN mitocondrial). Finalmente pudo observarse que de 56 cepas analizadas solo tres pares resultaron idénticos y las restantes 50 cepas serían diferentes entre sí según las técnicas utilizadas. Además podemos agregar que 11 de 56 individuos analizados no resultaron idénticos pero, dada su elevada similitud, probablemente comparten un parentesco cercano. El uso de herramientas moleculares es necesario por la importancia de preservar los recursos genéticos. La completa y correcta caracterización de los cultivos microbianos, requiere de la inclusión de herramientas moleculares que permitan asignar una identidad completa a los aislados y evitar errores como la repetición de cepas idénticas o el descarte de cepas consideradas iguales por falta de información.

HKT2;2/1, a K+-permeable transporter identified in a salt tolerant rice cultivar through surveys of natural genetic polymorphism

We have investigated OsHKT2;1 natural variation in a collection of 49 cultivars with different levels of salt tolerance and geographical origins. The effect of identified polymorphism on OsHKT2;1 activity was analysed through heterologous expression of variants in Xenopus oocytes. OsHKT2;1 appeared to be a highly conserved protein with only five possible amino acid substitutions that have no substantial effect on functional properties. Our study, however, also identified a new HKT isoform, No-OsHKT2;2/1 in Nona Bokra, a highly salt-tolerant cultivar. No-OsHKT2;2/1 probably originated from a deletion in chromosome 6, producing a chimeric gene. Its 5¢ region corresponds to that of OsHKT2;2, whose full-length sequence is not present in Nipponbare but has been identified in Pokkali, a salt-tolerant rice cultivar. Its 3¢ region corresponds to that of OsHKT2;1. No-OsHKT2;2/1 is essentially expressed in roots and displays a significant level of expression at high Na+ concentrations, in contrast to OsHKT2;1. Expressed in Xenopus oocytes or in Saccharomyces cerevisiae, No-OsHKT2;2/1 exhibited a strong permeability to Na+ and K+, even at high external Na+ concentrations, like OsHKT2;2, and in contrast to OsHKT2;1. Our results suggest that No-OsHKT2;2/1 can contribute to Nona Bokra salt tolerance by enabling root K+ uptake under saline conditions.

Physiological features of Schizosaccharomyces pombe of interest in the making of white wines

This work studies the physiology of Schizosaccharomyces pombe strain 938 in the production of white wine with high malic acid levels as the sole fermentative yeast, as well as in mixed and sequential fermentations with Saccharomyces cerevisiae Cru Blanc. The induction of controlled maloalcoholic fermentation through the use of Schizosaccharomyces spp. is now being viewed with much interest. The acetic, malic and pyruvic acid concentrations, relative density and pH of the musts were measured over the entire fermentation period. In all fermentations in which Schizo. pombe 938 was involved, nearly all the malic acid was consumed and moderate acetic concentrations produced. The urea content and alcohol level of these wines were notably lower than in those made with Sacch. cerevisiae Cru Blanc alone. The pyruvic acid concentration was significantly higher in Schizo. pombe fermentations. The sensorial properties of the different final wines varied widely.

Cuéntame: análisis de imagen aplicado al crecimiento de colonias de levadura

Algunas levaduras son capaces de producir deterioro en alimentos desarrollándose en su superficie como colonias. La medida del crecimiento de éstas evaluando el aumento de células viables es una técnica laboriosa y tediosa, mientras que la medida del aumento de su radio proporciona un resultado inmediato. En este trabajo, como alternativa a la medición manual del radio de la colonia, se plantea el empleo de técnicas de análisis de imagen que permiten automatizar el proceso de medición. A partir de las imágenes escaladas digitales, adquiridas en escala de gris de las colonias en crecimiento se ha desarrollado un algoritmo de análisis de imagen con el software MATLAB®. Esta herramienta se ha utilizado para procesar diariamente las imágenes de colonias de cuatro especies de levaduras deteriorantes: Zygosaccharomyces rouxii, Debaryomyces hansenii, Saccharomyces cerevisiae y Rhodotorula glutinis. El error de predicción del tamaño de la colonia al aplicar el algoritmo es comparable con el cometido en la medición manual, no superando en ambos casos el 3-4% y obteniéndose un ajuste medio (R2) entre ambas mediciones de 0.99, ajuste consistente e independiente de la especie de levadura estudiada. La observación de que el crecimiento bifásico del radio está correlacionado con las fases de aumento de células viables hace de este algoritmo una excelente herramienta.

Molecular basis of salt tolerance in Physcomitrella Patens model plant: potassium homeostasis and physiological roles of chx transporters

El suelo salino impone un estrés abiótico importante que causa graves problemas en la agricultura ya que la mayoría de los cultivos se ven afectados por la salinidad debido a efectos osmóticos y tóxicos. Por ello, la contaminación y la escasez de agua dulce, la salinización progresiva de tierras y el aumento exponencial de la población humana representan un grave problema que amenaza la seguridad alimentaria mundial para las generaciones futuras. Por lo tanto, aumentar la tolerancia a la salinidad de los cultivos es un objetivo estratégico e ineludible para garantizar el suministro de alimentos en el futuro. Mantener una óptima homeostasis de K+ en plantas que sufren estrés salino es un objetivo importante en el proceso de obtención de plantas tolerantes a la salinidad. Aunque el modelo de la homeostasis de K+ en las plantas está razonablemente bien descrito en términos de entrada de K+, muy poco se sabe acerca de los genes implicados en la salida de K+ o de su liberación desde la vacuola. En este trabajo se pretende aclarar algunos de los mecanismos implicados en la homeostasis de K+ en plantas. Para ello se eligió la briofita Physcomitrella patens, una planta no vascular de estructura simple y de fase haploide dominante que, entre muchas otras cualidades, hacen que sea un modelo ideal. Lo más importante es que no sólo P. patens es muy tolerante a altas concentraciones de Na+, sino que también su posición filogenética en la evolución de las plantas abre la posibilidad de estudiar los cambios claves que, durante el curso de la evolución, se produjeron en las diversas familias de los transportadores de K+. Se han propuesto varios transportadores de cationes como candidatos que podrían tener un papel en la salida de K+ o su liberación desde la vacuola, especialmente miembros de la familia CPA2 que contienen las familias de transportadores KEA y CHX. En este estudio se intenta aumentar nuestra comprensión de las funciones de los transportadores de CHX en las células de las plantas usando P. patens, como ya se ha dicho. En esta especie, se han identificado cuatro genes CHX, PpCHX1-4. Dos de estos genes, PpCHX1 y PpCHX2, se expresan aproximadamente al mismo nivel que el gen PpACT5, y los otros dos genes muestran una expresión muy baja. La expresión de PpCHX1 y PpCHX2 en mutantes de Escherichia coli defectivos en el transporte de K+ restauraron el crecimiento de esta cepa en medios con bajo contenido de K+, lo que viii sugiere que la entrada de K+ es energizada por un mecanismo de simporte con H+. Por otra parte, estos transportadores suprimieron el defecto asociado a la mutación kha1 en Saccharomyces cerevisiae, lo que sugiere que podrían mediar un antiporte en K+/H+. La proteína PpCHX1-GFP expresada transitoriamente en protoplastos de P. patens co-localizó con un marcador de Golgi. En experimentos similares, la proteína PpCHX2-GFP localizó aparentemente en la membrana plasmática y tonoplasto. Se construyeron las líneas mutantes simples de P. patens ΔPpchx1 y ΔPpchx2, y también el mutante doble ΔPpchx2 ΔPphak1. Los mutantes simples crecieron normalmente en todas las condiciones ensayadas y mostraron flujos de entrada normales de K+ y Rb+; la mutación ΔPpchx2 no aumentó el defecto de las plantas ΔPphak1. En experimentos a largo plazo, las plantas ΔPpchx2 mostraron una retención de Rb+ ligeramente superior que las plantas silvestres, lo que sugiere que PpCHX2 promueve la transferencia de Rb+ desde la vacuola al citosol o desde el citosol al medio externo, actuando en paralelo con otros transportadores. Sugerimos que transportadores de K+ de varias familias están involucrados en la homeostasis de pH de orgánulos ya sea mediante antiporte K+/H+ o simporte K+-H+.ix ABSTRACT Soil salinity is a major abiotic stress causing serious problems in agriculture as most crops are affected by it. Moreover, the contamination and shortage of freshwater, progressive land salinization and exponential increase of human population aggravates the problem implying that world food security may not be ensured for the next generations. Thus, a strategic and an unavoidable goal would be increasing salinity tolerance of plant crops to secure future food supply. Maintaining an optimum K+ homeostasis in plants under salinity stress is an important trait to pursue in the process of engineering salt tolerant plants. Although the model of K+ homeostasis in plants is reasonably well described in terms of K+ influx, very little is known about the genes implicated in K+ efflux or release from the vacuole. In this work, we aim to clarify some of the mechanisms involved in K+ homeostasis in plants. For this purpose, we chose the bryophyte plant Physcomitrella patens, a nonvascular plant of simple structure and dominant haploid phase that, among many other characteristics, makes it an ideal model. Most importantly, not only P. patens is very tolerant to high concentrations of Na+, but also its phylogenetic position in land plant evolution opens the possibility to study the key changes that occurred in K+ transporter families during the course of evolution. Several cation transporter candidates have been proposed to have a role in K+ efflux or release from the vacuole especially members of the CPA2 family which contains the KEA and CHX transporter families. We intended in this study to increase our understanding of the functions of CHX transporters in plant cells using P. patens, in which four CHX genes have been identified, PpCHX1-4. Two of these genes, PpCHX1 and PpCHX2, are expressed at approximately the same level as the PpACT5 gene, but the other two genes show an extremely low expression. PpCHX1 and PpCHX2 restored growth of Escherichia coli mutants on low K+-containing media, suggesting they mediated K+ uptake that may be energized by symport with H+. In contrast, these genes suppressed the defect associated to the kha1 mutation in Saccharomyces cerevisiae, which suggest that they might mediate K+/H+ antiport. PpCHX1-GFP protein transiently expressed in P. patens protoplasts co-localized with a Golgi marker. In similar experiments, the PpCHX2-GFP protein appeared to localize to tonoplast and plasma x membrane. We constructed the ΔPpchx1 and ΔPpchx2 single mutant lines, and the ΔPpchx2 ΔPphak1 double mutant. Single mutant plants grew normally under all the conditions tested and exhibited normal K+ and Rb+ influxes; the ΔPpchx2 mutation did not increase the defect of ΔPphak1 plants. In long-term experiments, ΔPpchx2 plants showed a slightly higher Rb+ retention than wild type plants, which suggests that PpCHX2 mediates the transfer of Rb+ from either the vacuole to the cytosol or from the cytosol to the external medium in parallel with other transporters. We suggest that K+ transporters of several families are involved in the pH homeostasis of organelles by mediating either K+/H+ antiport or K+-H+ symport.

Utilización de bloqueadores metabólicos y optimización de las condiciones de aplicación para la reducción del grado alcohólico en vinos elaborados a partir de uva procedente de zonas cálidas

El presente trabajo de Tesis describe la posibilidad de modular la fermentación alcohólica utilizando bloqueadores metabólicos como furfural, o-vainillina, ácido cinámico, glicolaldehído, p-benzoquinona y cobre; para controlar la producción de etanol. El redireccionamiento de la ruta glicolítica en Saccharomyces cerevisiae favorece el descenso del grado alcohólico gracias al aumento de la producción de metabolitos secundarios de interés enológico. La primera parte de la Tesis presenta una revisión bibliográfica sobre estudios previos en los que se ha evaluado el efecto de los diferentes bloqueadores metabólicos en la producción de etanol durante la fermentación alcohólica. La segunda parte muestra los resultados experimentales de producción de etanol obtenidos con los bloqueadores metabólicos, observándose una amplia variabilidad en su efecto en función de la naturaleza química de cada bloqueador y de la naturaleza del medio fermentativo utilizado. Finalmente, la tercera parte del trabajo muestra el efecto de los bloqueadores metabólicos sobre los parámetros colorimétricos y la producción de metabolitos secundarios, observándose un importante efecto en la producción de glicerina y en algunos de los compuestos volátiles fermentativos. La principal aplicación de esta tecnología basada en la utilización de bloqueadores metabólicos sería la elaboración de vinos con una menor graduación alcohólica a partir de uva procedente de zonas cálidas. ABSTRACT This thesis describes the possibility of modulating the alcoholic fermentation using metabolic blockers such as furfural, o-vanillin, cinnamic acid, glycolaldehyde, p-benzoquinone and copper. The controlled production of ethanol by redirecting of the glycolytic pathway in Saccharomyces cerevisiae, is achieved through diverting some of the carbohydrates away from alcohol production into the formation of glycolytic intermediates of interest to the winemaking industry. The first part of this work shows a literature review on previous studies about the effect of different metabolic blockers in order to reduce the ethanol production during alcoholic fermentation. The second part deals about the experimental results of ethanol production obtained with the metabolic blockers, showing a wide variation in the inhibitory effect depending on the chemical nature of each blocker and the nature of the fermentation medium used. Finally, the third part discussed about the effect of the metabolic blockers on colorimetric parameters and production of secondary metabolites, showing a significant effect on the production of glycerol and in some of the volatile fermentative compounds. The main application of this technology based on the use of metabolic blockers could lie in the preparation of reduced-alcohol wines from grapes grown in hot climate regions.

Use of Schizosaccharomyces pombe to produce stable pigments during red winemaking

This work has studied the production of stable pyranoanthocyanin pigments during fermentation using S. pombe and Saccharomyces cerevisiae. Along the fermentation, anthocyanins were determined by HPLC-DAD/MS, acetaldehyde was measured using GC-FID and pyruvic acid was quantified by enzymatic tests. Results show that S. pombe strains produce higher amounts of pyruvic acid, and therefore also of vitisin A, than Saccharomyces controls.

Optimización de parámetros fermentativos de calidad en vinos tintos de zonas cálidas

El aumento progresivo de la temperatura media anual y el déficit hídrico están provocando importantes cambios en la composición y la maduración de la uva, que repercuten directamente sobre el proceso fermentativo y, por ende, sobre la calidad del vino elaborado. En este trabajo se evalúan diferentes estrategias para la reducción del grado alcohólico, la mejora del color del vino y su estabilidad, y el incremento y la persistencia aromática. Mediante el empleo de levaduras con ineficiencia glicolítica se lograron reducciones medias en el grado alcohólico de entre 0.3 y 1.7 % v/v, mientras que con las fermentaciones secuenciales la máxima reducción lograda fue de 3.3 y 3.4 % v/v al combinar las cepas 938 (Schizosaccharomyces pombe) y 7013 (Torulaspora delbrueckii) con la 7VA (Saccharomyces cerevisiae). Al aplicar un tratamiento térmico sobre el inóculo, la TP2A(16) mostró una reducción media significativa en el grado alcohólico de 1 % v/v. El principal inconveniente en todas las técnicas empleadas para reducir el grado alcohólico fue la falta de repetibilidad en los resultados obtenidos. Por otra parte, la aplicación de altas presiones sobre uva despalillada resultó efectiva como tratamiento de pasteurización y como potenciador de la extracción de polifenoles, logrando un incremento en el contenido medio de antocianos totales del 12.4-18.5 %. La adición de flavonoides al mosto estimuló la formación de pigmentos estables como resultado de su condensación con antocianos mediada por acetaldehído. Con el empleo de Torulaspora delbrueckii en fermentación secuencial fue posible incrementar la producción de diacetilo y acetato de 2-feniletilo, además de la síntesis de un nuevo compuesto, el 3-etoxi-1-propanol. Sin embargo, su aportación sobre el color fue nula, así que debería combinarse con una cepa de Saccharomyces cerevisiae con buena formación de pigmentos piranoantociánicos. El empleo de Schizosaccharomyces pombe (938, V1) y Torulaspora delbrueckii (1880) en fermentaciones secuenciales y mixtas con Saccharomyces cerevisiae permitió mejorar el perfil sensorial del vino tinto mediante la mayor síntesis de polioles y la potenciación de aromas frutales, florales y herbáceos, e incrementar la estabilidad de la materia colorante al favorecer la formación de vitisinas y piranoantocianos vinilfenólicos. La crianza sobre lías en barrica a partir de levaduras seleccionadas, puede mejorar la complejidad y persistencia aromática del vino tinto, aunque sin grandes cambios en el color. ABSTRACT The progressive increase in annual average temperature, along with water deficit, is causing significant changes in grape composition and in its maturation, which directly affects the fermentative process and hence alters wine quality. In this work, different strategies for reducing the alcoholic strength, improve wine color and its stability, and increase aromatic complexity and its persistence, are evaluated. By using yeasts with glycolytic inefficiency, it was possible to achieve mean reductions between 0.3 and 1.7 % v/v in the alcoholic strength, while sequential fermentations allowed a maximum reduction of 3.3 and 3.4 % v/v by combining strains 938 (Schizosaccharomyces pombe) and 7013 (Torulaspora delbrueckii) with 7VA (Saccharomyces cerevisiae). When applying a heat shock treatment on the inoculum, only TP2A(16) strain showed a significant mean reduction of 1 % v/v in the alcohol content, compared with the control. The main drawback in all the techniques used to reduce the alcohol content was the lack of repeatability in the results. Moreover, the application of high pressures on destemmed grapes was effective as pasteurization treatment and also as enhancer of polyphenol extraction, achieving an increase of 12.4-18.5% in the average content of total anthocyanins. As expected, addition of flavonoids to the must, stimulated the formation of stable pigments, mainly as a result of condensation reactions between anthocyanins and flavanols mediated by acetaldehyde. With the use of Torulaspora delbrueckii strains in sequential fermentation with Saccharomyces cerevisiae, it was possible to increase the production of diacetyl and 2-phenylethyl acetate, besides the synthesis of a new compound: 3-ethoxy-1-propanol. The use of Schizosaccharomyces pombe (938, V1) and Torulaspora delbrueckii (1880) strains in sequential and mixed fermentations with Saccharomyces cerevisiae improved the sensory profile of red wine by increasing polyols synthesis and enhancing fruity, floral and herbaceous aromas, and it also increased the stability of the coloring matter by favouring vitisins and vinylphenolic pyranoanthocyanins formation. Ageing on lees in barrels from selected yeasts can improve the complexity and aromatic persistence of red wine, without major changes in the color.

A simple mathematical model that describes the growth of the area and the number of total and viable cells in yeast colonies

We propose a model, based on the Gompertz equation, to describe the growth of yeasts colonies on agar medium. This model presents several advantages: (i) one equation describes the colony growth, which previously needed two separate ones (linear increase of radius and of the squared radius); (ii) a similar equation can be applied to total and viable cells, colony area or colony radius, because the number of total cells in mature colonies is proportional to their area; and (iii) its parameters estimate the cell yield, the cell concentration that triggers growth limitation and the effect of this limitation on the specific growth rate. To elaborate the model, area, total and viable cells of 600 colonies of Saccharomyces cerevisiae, Debaryomyces fabryi, Zygosaccharomyces rouxii and Rhodotorula glutinis have been measured. With low inocula, viable cells showed an initial short exponential phase when colonies were not visible. This phase was shortened with higher inocula. In visible or mature colonies, cell growth displayed Gompertz-type kinetics. It was concluded that the cells growth in colonies is similar to liquid cultures only during the first hours, the rest of the time they grow, with near-zero specific growth rates, at least for 3 weeks.

Preparados enológicos comerciales a base de levaduras secas inactivas : caracterización, modo de acción e influencia en la composición y características sensoriales de los vino

El empleo de preparados comerciales de levaduras secas inactivas (LSI) se ha generalizado en la industria enológica con el fin de mejorar los procesos tecnológicos, así como las características sensoriales y la eliminación de compuestos indeseables en los vinos. Estos preparados se obtienen por crecimiento de la levadura vínica Saccharomyces cerevisiae en un medio rico en azúcares, y posterior inactivación y secado para obtener un producto en forma de polvo. Su composición puede incluir una fracción soluble procedente del citoplasma de la levadura (péptidos, aminoácidos, proteínas) y una fracción insoluble compuesta principalmente por las paredes celulares. Dependiendo de su composición, los preparados de LSI están indicados para distintas aplicaciones (activadores de la fermentación alcohólica y maloláctica, mejorar el color y el aroma de los vinos, etc). Sin embargo, a pesar de que el empleo de preparados de LSI está cada vez más extendido en la industria enológica, existen pocos estudios científicos encaminados a conocer sus efectos en el vino así como a discernir su modo de acción. Por ello, se ha planteado esta Tesis Doctoral con el principal objetivo de caracterizar la composición química de algunos de los preparados comerciales de LSI que actualmente más se están empleando en la elaboración de los vinos, así como determinar su modo de acción y su efecto tanto en la composición como en las características organolépticas de los vinos. Para la caracterización de preparados de LSI, en primer lugar se ha estudiado la cesión de compuestos nitrogenados y polisacáridos a medios vínicos, así como las diferencias entre preparados procedentes de diferentes casas comerciales e indicados para diferentes aplicaciones durante la vinificación. Los resultados de este estudio mostraron diferencias en la cesión de estos compuestos dependiendo del tipo de vino al que van dirigidos y de la casa comercial de la procedencia. Así, los preparados indicados para la elaboración de vinos tintos liberan una mayor concentración de polisacáridos, que están asociados a una modulación de la astringencia y de la protección del color de los vinos tintos, comparado con los indicados para vinos blancos. Sin embargo en estos últimos se determinó una mayor cesión de aminoácidos libres. Posteriormente, se estudió el efecto de componentes específicos presentes en preparados de LSI en el crecimiento de distintas especies de bacterias lácticas del vino. Se obtuvieron extractos de diferente composición empleando la extracción con fluidos presurizados, y se ensayó su actividad en el crecimiento de cepas bacterianas pertenecientes a las especies Lactobacillus hilgardii, Pediococcus pentosaceus y Oenococcus oeni. Los resultados de este trabajo mostraron que los distintos componentes presentes en los preparados de LSI pueden ejercer un efecto estimulante o inhibidor en el crecimiento de las bacterias lácticas, que depende del tipo de compuesto, de su concentración y de la especie bacteriana a ensayar. Entre los compuestos responsables del efecto estimulante se encuentran tanto aminoácidos esenciales como monosacáridos libres, mientras que los ácidos grasos de cadena corta y larga así como compuestos heterocíclicos volátiles originados por la reacción de Maillard parecen estar directamente implicados en el efecto inhibidor observado. En la tercera parte de este trabajo, se ha evaluado el papel de los preparados comerciales de LSI en el aroma y en las características organolépticas de los vinos. Para ello, empleando vinos sintéticos, se estudiaron por un lado, el efecto que los componentes cedidos por los preparados de LSI podrían tener en la volatilidad de compuestos del aroma ya presentes en el vino, y por otro lado, en la posible cesión al vino de compuestos odorantes presentes en los preparados y originados durante su fabricación. Los resultados de estos estudios pusieron de manifiesto que los preparados de LSI pueden modificar la volatilidad de compuestos del aroma del vino, dependiendo principalmente de las características físico-químicas del compuesto del aroma, del tiempo de permanencia del preparado en el vino y del tipo de preparado de LSI. Por otro lado, gracias al empleo de diferentes técnicas de extracción combinadas, la extracción con fluidos presurizados (PLE) y microextracción en fase sólida en el espacio de cabeza (HS-SPME) y posterior análisis por GO-MS, se caracterizó el perfil volátil de un preparado de LSI representativo del resto de los estudiados y se comprobó que estaba formado tanto por componentes procedentes de la levadura, como ácidos grasos de cadena corta y larga, así como por compuestos volátiles originados durante las etapas de fabricación de los preparados y resultantes de la reacción de Maillard. Se determinó a su vez, que algunos de estos compuestos volátiles, pueden ser cedidos tanto a medios vínicos, como a vinos reales. Concretamente, se comprobó que los preparados indicados para vinificación en blanco liberan una menor concentración de compuestos volátiles, y especialmente, de productos de la reacción de Maillard, que los indicados para vinificación en tinto. Estos compuestos, y principalmente los pertenecientes al grupo de las pirazinas, podrían modificar el perfil sensorial de los vinos, ya que son compuestos con, en general, bajos umbrales de percepción. Para intentar eliminar estos compuestos de los preparados, es decir, para su desodorización, en esta parte del trabajo, también se desarrolló una metodología basada en la extracción con CO2 supercrítico, que permitió la eliminación selectiva de este tipo de compuestos sin provocar modificaciones en su composición no volátil. Debido a la cantidad de preparados de LSI ricos en glutatión (GSH) disponibles en el mercado para mejorar las características sensoriales de los vinos, se estudió la cesión de este compuesto a medios vínicos. Para ello, se puso a punto una metodología que permitiera la cuantificación del GSH en sus diferentes formas (reducido y total), en vinos sintéticos y reales. El método se aplicó para cuantificar la cantidad de GSH aportada por los LSI a los vinos. Los resultados mostraron que los preparados de LSI indicados para vinificación en blanco y rosado liberaron, inmediatamente tras su adición a medios vínicos sintéticos, ♯y-glutamil-cisteína y GSH principalmente en su forma reducida a mayores concentraciones que los preparados indicados para otras aplicaciones. Por otro lado, se aislaron las fracciones de peso molecular <3000 Da de preparados de LSI y se emplearon para suplementar vinos sintéticos aromatizados con terpenos y sometidos a condiciones de envejecimiento acelerado. Los resultados revelaron una reducción en la oxidación por parte de las fracciones aisladas tanto de preparados de LSI ricos en glutatión como de preparados empleados como nutrientes de fermentación. Esta reducción era incluso mayor que cuando se empleaba el glutatión comercial, lo que indicaba la presencia de otros compuestos con propiedades antioxidantes. Finalmente, para conocer el efecto de los preparados de LSI a escala de bodega, se elaboraron a escala industrial dos tipos de vinos, con y sin la adición de un preparado de LSI rico en GSH, a escala industrial. En estos vinos, se determino el contenido en glutatión, y la evolución del color y de la composición fenólica y volátil durante la vinificación y a lo largo del envejecimiento en botella. Los resultados de este trabajo mostraron la capacidad del preparado de LSI de ceder glutatión en su forma reducida, aunque esté es rápidamente oxidado durante la fermentación alcohólica. Sin embargo, se comprobó que los vinos elaborados con el preparado presentaron mayor estabilidad de color y aroma a lo largo del envejecimiento en botella. De hecho, a los 9 meses de envejecimiento, se encontraron diferencias sensoriales entre los vinos con y sin el preparado. Sin embargo, estas diferencias sensoriales no fueron suficientes para que en el estudio de preferencia que se llevó a cabo con los mismos vinos, los consumidores mostraran preferencia hacia los vinos elaborados con el preparado de LSI.