Um lugar estressante para viver: um aprendizado profundo sobre as pressões seletivas em leveduras durante as fermentações alcoólicas

• Processo: 18/06254-8
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de outubro de 2018
• Data de Término da vigência: 28 de fevereiro de 2023
• Área de conhecimento: Ciências Biológicas - Genética - Genética Molecular e de Microorganismos
• Pesquisador responsável: Leandro Vieira dos Santos
• Beneficiário: Mirta Natalia Coutouné
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Assunto(s): Leveduras Fisiologia Genômica Fermentação alcoólica Biocombustíveis Bioetanol Estresse oxidativo
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Atlas multi-ômico | Biocombustíveis | Evolução adaptativa | Fisiologia de leveduras | inibidores | tolerância a estresse | Fisiologia de leveduras, genômica de populações

Resumo

A crescente demanda pelo uso de energia, o consenso sobre a necessidade de reduzir significativamente as emissões de gases causadores do efeito estufa e a dependência de combustíveis fósseis estão impulsionando o desenvolvimento e a melhoria da produção de biocombustíveis. O etanol é o biocombustível mais utilizado, obtido a partir da fermentação de açúcares extraídos principalmente da cana-de-açúcar (Brasil) e do milho (EUA). Apesar dessa grande produção, grandes esforços estão sendo feitos para aumentar esses números, e uma das opções seria a produção do etanol de segunda geração (2G). O etanol 2G é produzido pela fermentação de açúcares (hexoses e pentoses) liberados a partir de polissacarídeos complexos encontrados na biomassa vegetal. No entanto, para o uso de materiais lignocelulósicos e a produção de etanol 2G, é necessário que alguns desafios biotecnológicos sejam superados. Várias dificuldades tecnológicas precisam ser resolvidas, como romper a recalcitrância da parede celular do bagaço para aumentar a despolimerização e liberação de açúcares para fermentação. Durante este processo, alguns compostos tóxicos são liberados, como os ácidos orgânicos, furanos e fenólicos, que ameaçam a sobrevivência e desempenho da levedura. Por exemplo, esses inibidores podem provocar um gasto excessivo de ATP, estresse oxidativo, danos ao DNA, perda de integridade da membrana e outros. Nosso grupo desenvolveu anteriormente uma cepa modificada da levedura Saccharomyces cerevisiae com uma eficiente capacidade de fermentar xilose e produzir etanol com rendimentos acima de 92% do máximo teórico. O próximo passo é aumentar a tolerância de levedura a estes compostos tóxicos. Para desenvolver linhagens mais robustas e eficientes para tecnologias 2G, é necessário um profundo conhecimento do comportamento das leveduras expostas a diferentes tipos de estresse, para entender as bases moleculares das respostas fisiológicas do estresse e entender como elas são integradas. Para isso, realizaremos análises sobre a dinâmica populacional antes e depois de um processo de evolução adaptativa em larga escala de exposição a diferentes tipos de estresse, para entender como os alelos são fixados sob pressões seletivas. Para validar os resultados da variação genômica, será realizada uma análise transcriptômica comparativa durante a fermentação, sob diferentes pressões. Assim, nossa proposta é realizar um estudo detalhado sobre a fisiologia das leveduras através de uma abordagem multi-ômica em larga escala, visando integrar dados de populações evoluídas e tolerantes. Resultados preliminares do nosso grupo mostraram que a combinação de diferentes estresses durante a evolução adaptativa potencializa a assimilação de açúcar e tolerância. Esse trabalho explorará esse fenômeno, discriminando os efeitos isolados de cada estresse e desvendando uma rede de regulação gênica responsável pela ativação de cada sistema. Dessa forma, nosso trabalho impulsionará o desenvolvimento de uma cepa resistente a inibidores, que tem um papel fundamental para tornar o etanol 2G uma alternativa viável no Brasil. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

NAGAMATSU, SHEILA TIEMI; COUTOUNE, NATALIA; JOSE, JULIANA; FIAMENGHI, MATEUS BERNABE; GUIMARAES PEREIRA, GONCALO AMARANTE; DE CASTRO OLIVEIRA, JULIANA VELASCO; CARAZZOLLE, MARCELO FALSARELLA. Ethanol production process driving changes on industrial strains. FEMS Yeast Research, v. 21, n. 1, FEB 2021. (17/02124-0, 13/08293-7, 18/06254-8, 14/26905-2)

PALERMO, GISELE CRISTINA DE LIMA; COUTOUNE, NATALIA; BUENO, JOAO GABRIEL RIBEIRO; MACIEL, LUCAS FERREIRA; DOSSANTOS, LEANDRO VIEIRA. Exploring metal ion metabolisms to improve xylose fermentation in Saccharomyces cerevisiae. MICROBIAL BIOTECHNOLOGY, v. 14, n. 5, JUL 2021. (20/07918-7, 18/00888-5, 18/06254-8, 17/08519-6)