Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for co-fermentation of xylose and glucose to second-generation ethanol production

Autor(es)

João Gabriel Ribeiro Bueno

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Biologia
• Data de defesa: 2020-02-17

Membros da banca

Leandro Vieira dos Santos; Elizabeth Bilsland; Jeferson Gross

• Orientador: Leandro Vieira dos Santos

Resumo

A matriz energética mundial tem como base o uso de compostos fósseis, como o petróleo, gás e carvão. Entretanto, nas últimas décadas, a comunidade mundial manifestou uma intensa preocupação relacionada às consequências causadas pelo uso desses compostos, como o aumento dos gases causadores do efeito estufa. O etanol de segunda-geração (2G), produzido a partir biomassa lignocelulósica, surge com um grande potencial na produção de energia limpa a partir de uma matriz renovável. Entretanto, diversos desafios tecnológicos precisam ser superados visando uma produção economicamente viável de etanol 2G. O desenvolvimento de linhagens modificadas da levedura Saccharomyces cerevisiae, capazes de converter o açúcar de cinco carbonos xilose (C5) em etanol, é um passo essencial na viabilização da tecnologia 2G, tendo em vista sua significativa parcela na composição da biomassa. Um grande gargalo na implementação dessa tecnologia é a baixa eficiência de assimilação de xilose por transportadores de membrana de S. cerevisiae e a repressão catabólica, levando a inibição por glicose (C6). Proteínas de membrana capazes de transportar xilose são inibidas em altas concentrações desse açúcar, além de apresentarem baixa afinidade a xilose em relação a glicose, levando a uma competição entre os substratos e estendendo o tempo da fermentação. A xilose somente é assimilada pelas células de S. cerevisiae quando as concentrações de glicose estão baixas no ambiente extracelular. Dessa forma, este projeto teve como objetivo a caracterização de novos transportadores heterólogos de xilose eficientes e o desenvolvimento de uma linhagem capaz de co-fermentar xilose e glicose. Neste trabalho, identificamos e caracterizamos quatro novos transportadores de xilose Cs186, Cs2608, Cs3894 e Cs4130, avaliados na linhagem EBY.VW4000 modificada com a via de consumo de xilose integrada no genoma. Curiosamente, o transportador Cs4130 demonstrou superior capacidade de assimilação de xilose em altas concentrações (50 g/L) em comparação com o controle GXF1, considerado o melhor transportador heterólogo previamente descrito na literatura. Na condição descrita, GXF1 foi severamente inibido, demonstrando um comportamento oposto ao observado por Cs4130. O modelo estrutural de Cs4130 em comparação com o transportador procariótico de alta afinidade XylE e GXF1 aponta resíduos em sua arquitetura molecular que possam explicar as diferenças de comportamento observadas entre os transportadores. Dessa forma, o novo transportador Cs4130 é apresentado como um excelente candidato para engenharia genética de linhagens de S. cerevisiae para a produção de biocompostos 2G. Entretanto, os transportadores de xilose Cs4130 e GXF1 ainda apresentam uma forte inibição pela glicose na mistura dos dois açúcares. Dessa maneira, a segunda parte do projeto visa a modificação dessas proteínas de membrana e o desenvolvimento de um processo para o aumento da afinidade a xilose em relação à glicose. Para isso, desenvolvemos duas novas plataformas de evolução adaptativa, EBY_Xyl1_hxk0 derivada da linhagem EBY_Xyl1, e a linhagem JBY_hxk0 construída a partir de uma cepa industrial fermentadora de xilose. Estas novas plataformas não são capazes de metabolizar moléculas de glicose devido as deleções dos genes das hexoquinases HXK1, HXK2 e GLK1, responsáveis pela primeira etapa da via da glicolítica. As células modificadas de S. cerevisiae irão reconhecer as moléculas de glicose apenas como inibidores ao metabolismo da xilose. Por fim, a identificação de novas mutações presentes nas células evoluídas derivadas das plataformas construídas, capazes de co-fermentar xilose e glicose, visam identificar novos alvos moleculares relacionados a repressão catabólica. As informações desenvolvidas nesse projeto irão auxiliar no desenvolvimento de linhagens de S. cerevisiae capazes de fermentar simultaneamente xilose e glicose, reduzindo o tempo final de fermentação na indústria 2G. (AU)

• Processo FAPESP: 18/00888-5 - Engenharia genética de Saccharomyces cerevisiae para co-fermentação de xilose e glicose e produção de etanol de segunda geração
• Beneficiário: João Gabriel Ribeiro Bueno
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado