Mechanisms of yeast adaptation and tolerance to stresses of biotechnological relevance: physiological genomic and cell biology approaches

10/05/2024

Foram explorados mecanismos de adaptação e tolerância de leveduras a stresses de relevância em Biotecnologia. A compreensão destes mecanismos é crucial para aumentar a robustez de leveduras visando uma bioeconomia circular sustentável. As leveduras utilizam várias estratégias para responderem e se adaptarem a stress por ácido acético, incluindo a regulação e manutenção da homeostase iónica. A contribuição da proteína cinase Hrk1, uma determinante de tolerância a ácido acético e membro da família de cinases NPR/Hal, na ativação da Pma1 em Saccharomyces cerevisiae durante o cultivo sob stress por ácido acético, foi demonstrada. Tal permite contrariar a diminuição do pH intracelular e a dissipação do potencial eletroquímico da membrana plasmática. Foi ainda demonstrado que a concentração de potássio constitui um fator essencial nessa adaptação e tolerância, tendo o envolvimento do transportador H+/K+, Na+ Nha1 sido proposto enquanto alvo de fosforilação por Hrk1. Esta tese também explorou espécies de leveduras não-Saccharomyces, como Rhodotorula toruloides, importantes para superar os stresses impostos em bioprocessos baseados em hidrolisados de biomassa lenhocelulósica. Este trabalho contribuiu ainda para a atualização e expansão do portal YEASTRACT+ para facilitar a análise da regulação transcricional em diferentes espécies de leveduras e a previsão de redes regulatórias em espécies menos caracterizadas. Utilizando uma estirpe de R. toruloides evoluída, tolerante a múltiplos stresses e previamente obtida no nosso laboratório por Evolução Laboratorial Adaptativa (ALE), realizou-se uma análise do seu genoma e transcritoma comparados com os da estirpe original. Foram reveladas várias mutações, variação no número de cópias e aumento do nível de transcritos de genes relacionados com a biogénese e remodelação do invólucro celular, reparação de DNA e vias de sinalização a stress. Baseado nessas respostas, o fenótipo de tolerância a múltiplos stresses foi estendido a outros stresses: osmótico, salino, oxidativo, genotóxico e induzidos por etanol e ácidos gordos de cadeia média. A análise global desta estirpe evoluída proporcionou a oportunidade de obter conhecimento mecanístico subjacente à aquisição de tolerância a múltiplos stresses, evidenciando o potencial da abordagem ALE no aumento da robustez de estirpes de leveduras industriais. This thesis work explores the mechanisms of yeast adaptation and tolerance to stresses of biotechnological relevance. The understanding of these mechanisms is crucial for enhancing yeast robustness towards a sustainable circular bio-based economy. Yeast cells employ several strategies to respond and adapt to acetic acid-imposed stress, including the regulation and maintenance of ion homeostasis. The role of the Saccharomyces cerevisiae protein kinase Hrk1, a determinant of tolerance to acetic acid and a member of the NPR/Hal family of kinases, was found to contribute to Pma1 activation during cultivation of S. cerevisiae under acetic acid stress, thereby counteracting the decrease of intracellular pH and the dissipation of plasma membrane electrochemical potential. Additionally, potassium was demonstrated to be a key factor in adaptation to acetic acid stress, and the H+/K+, Na+ antiporter Nha1, a proposed phosphorylation target of Hrk1, was suggested to be involved. This thesis also explores non-Saccharomyces yeast species such as Rhodotorula toruloides, addressing the challenges posed by stresses of biotechnological relevance, particularly in lignocellulosic-based bioprocesses. This thesis work also contributed to YEASTRACT+ portal update and upgrade to facilitate cross-species transcription regulatory analysis and prediction of regulatory networks in less-characterized yeasts. Based on a multi-stress tolerant evolved R. toruloides strain, previously obtained in our laboratory by Adaptive Laboratory Evolution (ALE), the genome and transcriptome were compared with those of the original strain. Results revealed several mutations, copy number variants and increased transcript levels from genes related to cell envelope biogenesis and remodeling, DNA repair, and stress-responsive pathways. Guided by the suggested stress responses, the multi-stress tolerance phenotype was extended to osmotic, salt, ethanol, oxidative, genotoxic, and medium-chain fatty acid -induced stresses. The comprehensive analysis of this evolved strain provided the opportunity to get mechanistic insights into the acquisition of multi-stress tolerance, underscoring the potential of the ALE approach for enhancing the robustness of industrial yeast strains.

Autores da comunidade :

• 

  J

  Jorge Miguel De Figueiredo Antunes

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Orientadores desta instituição:

• 

  I

  Isabel Sá-Correia

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Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

- Ciências Biológicas

Palavras-chave

• Leveduras
• tolerância a ácido acético
• cinases NPR/Hal
• tolerância a múltiplos stresses
• análises à escala do genoma
• Yeasts
• Acetic acid tolerance
• NPR/Hal kinases
• multi-stress tolerance
• Genome-wide analyses

- Inglês

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