Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for second-generation ethanol production from xylo-oligosaccharides and acetate

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Procopio, Dielle Pierotti ; Lee, Jae Won ; Shin, Jonghyeok ; Tramontina, Robson ; Avila, Patricia Felix ; Brenelli, Livia Beatriz ; Squina, Fabio Marcio ; Damasio, Andre ; Rabelo, Sarita Candida ; Goldbeck, Rosana ; Franco, Telma Teixeira ; Leak, David ; Jin, Yong-Su ; Basso, Thiago Olitta

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: SCIENTIFIC REPORTS; v. 13, n. 1, p. 14-pg., 2023-11-06.

Resumo

Simultaneous intracellular depolymerization of xylo-oligosaccharides (XOS) and acetate fermentation by engineered Saccharomyces cerevisiae offers significant potential for more cost-effective second-generation (2G) ethanol production. In the present work, the previously engineered S. cerevisiae strain, SR8A6S3, expressing enzymes for xylose assimilation along with an optimized route for acetate reduction, was used as the host for expressing two beta-xylosidases, GH43-2 and GH43-7, and a xylodextrin transporter, CDT-2, from Neurospora crassa, yielding the engineered SR8A6S3-CDT-2-GH34-2/7 strain. Both beta-xylosidases and the transporter were introduced by replacing two endogenous genes, GRE3 and SOR1, that encode aldose reductase and sorbitol (xylitol) dehydrogenase, respectively, and catalyse steps in xylitol production. The engineered strain, SR8A6S3-CDT-2-GH34-2/7 (sor1 Delta gre3 Delta), produced ethanol through simultaneous XOS, xylose, and acetate co-utilization. The mutant strain produced 60% more ethanol and 12% less xylitol than the control strain when a hemicellulosic hydrolysate was used as a mono- and oligosaccharide source. Similarly, the ethanol yield was 84% higher for the engineered strain using hydrolysed xylan, compared with the parental strain. Xylan, a common polysaccharide in lignocellulosic residues, enables recombinant strains to outcompete contaminants in fermentation tanks, as XOS transport and breakdown occur intracellularly. Furthermore, acetic acid is a ubiquitous toxic component in lignocellulosic hydrolysates, deriving from hemicellulose and lignin breakdown. Therefore, the consumption of XOS, xylose, and acetate expands the capabilities of S. cerevisiae for utilization of all of the carbohydrate in lignocellulose, potentially increasing the efficiency of 2G biofuel production. (AU)

• Processo FAPESP: 17/15477-8 - Desenvolvimento de um processo de pré-tratamento de baixa severidade para produção de oligossacarídeos de palha de cana-de-açúcar
• Beneficiário: Lívia Beatriz Brenelli de Paiva
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 20/05784-3 - EMU concedido no processo 15/50590-4: sistema cromatográfico e detectores para análise de açúcares e monolignois de lignocelulose
• Beneficiário: Fábio Márcio Squina
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 15/50612-8 - An integrated approach to explore a novel paradigm for biofuel production from lignocellulosic feedstocks
• Beneficiário: Telma Teixeira Franco
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 18/17172-2 - Respostas fisiológicas de leveduras industriais e bactérias contaminantes da produção de etanol a inibidores lignocelulósicos
• Beneficiário: Thiago Olitta Basso
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 18/01759-4 - Engenharia metabólica de Saccharomyces cerevisiae para produzir etanol de segunda geração a partir de xilo-oligossacarídeos
• Beneficiário: Dielle Pierotti Procópio
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 22/08958-8 - Desenvolvimento de microrganismos e enzimas termofílicas envolvidas na degradação e reaproveitamento de plásticos fósseis
• Beneficiário: Fábio Márcio Squina
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Processo FAPESP: 21/04254-3 - Desenvolvimento de conceitos de biorrefinaria via conversão de ácido cumarico em compostos de alto valor
• Beneficiário: Robson Tramontina
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 15/50590-4 - Valorização da lignina em plantas de etanol celulósico: a conversão biocatalítica via ácido ferúlico a produtos químicos de alto valor
• Beneficiário: Fábio Márcio Squina
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa BIOEN - Temático
• Processo FAPESP: 22/05731-2 - BEYOND: estabelecendo uma fábrica celular fúngica para produção de proteínas recombinantes
• Beneficiário: André Ricardo de Lima Damasio
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 19/18075-3 - Engenharia metabólica de Saccharomyces cerevisiae para etanol de segunda geração a partir de xilo-oligossacarídeos e acetato
• Beneficiário: Dielle Pierotti Procópio
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado