Diversity and robustness of yeasts for microbial oils sustainable production: focus on the bioconversion of lignocellulosic hydrolysates, methanol and volatile fatty acids

07/24/2024

Neste trabalho de tese foi explorada a diversidade de leveduras e a quimiogenómica para melhorar a bioconversão de metanol, hidrolisados de biomassa lenhocelulósica e resíduos orgânicos em produtos com valor acrescentado, como é o caso dos lípidos microbianos. Os mecanismos de toxicidade e tolerância ao metanol e aos ácidos gordos de cadeia curta e média foram investigados em Saccharomyces cerevisiae e em leveduras não convencionais. Uma estirpe evoluída de Rhodotorula toruloides, obtida através de evolução laboratorial adaptativa (ALE) sob elevadas concentrações de metanol e glicerol (como única fonte de carbono), exibiu uma maior tolerância a metanol, a stress osmótico e a inibidores presentes nos hidrolisados lenhocelulósicos. A estirpe evoluída apresentou uma parede celular alterada, menos suscetível à zimoliase, bem como uma menor permeabilidade e um melhor desempenho na produção de lípidos a partir de um hidrolisado lenhocelulósico sintético. Relativamente à bioconversão de metanol, sete isolados da espécie metilotrófica Candida boidinii foram obtidos de águas da cura das azeitonas, em diferentes anos, e de solos contaminados, próximos de postos de combustível. Os isolados das águas das azeitonas apresentaram maiores taxas especificas máximas de crescimento claramente superiores às das estirpes isoladas dos solos contaminados com combustível quando cultivadas em metanol (1% v/v) como única fonte de carbono. Todos os isolados exibiram tolerância significativa ao metanol, tornando-os candidatos promissores para o desenvolvimento de bioprocessos à base de metanol. Os mecanismos subjacentes à tolerância ao metanol e a ácidos monocarboxílicos lineares de crescente lipofilicidade (ácidos acético, butírico e octanóico) foram analisados à escala do genoma com base na quimiogenómica usando a leveduramodelo S. cerevisiae. Os resultados destacaram a importância dos genes de reparação de DNA (genes RAD) na tolerância a metanol e das funções mitocondriais para resistir ao stress induzido por ácidos fracos, particularmente para o mais lipossolúvel (ácido octanóico). Os genes e as funções biológicas que emergiram deste estudo são alvos promissores para biologia sintética na construção de estirpes industriais mais robustas, um fenótipo altamente desejável para aumentar a viabilidade económica de bioprocessos baseados em misturas de ácidos gordos voláteis, derivados da digestão anaeróbia de resíduos biodegradáveis, hidrolisados lenhocelulósicos, ou metanol. This thesis work explores yeast diversity and chemogenomics to improve the bioconversion by yeasts of methanol, lignocellulosic biomass hydrolysates, organic industrial residues/wastes, into value-added products like yeast oils. The mechanisms underlying the toxicity and tolerance to methanol and short/medium-chain fatty acids were investigated in the model yeast Saccharomyces cerevisiae and in innate robust non-conventional yeasts. An evolved strain of Rhodotorula toruloides, obtained through adaptive laboratory evolution (ALE) under high methanol and glycerol (sole carbon source) concentrations, exhibited an increased tolerance to methanol, osmotic stress, and to lignocellulosic hydrolysate inhibitors. The evolved strain was found to have an altered cell wall, less susceptible to zymolyase, a decreased permeability, and improved lipid production performance from a synthetic lignocellulosic hydrolysate medium. Regarding methanol bioconversion, seven isolates of the methylotrophic species Candida boidinii were obtained from waters derived from the traditional curation of olives, in different years, and from contaminated superficial soil near fuel stations. The isolates from olive soaking waters showed a significantly better growth performance on methanol (1% v/v) as the sole carbon source, compared to those from fuel-contaminated soils. All isolates exhibited significant methanol tolerance, making them promising candidates for developing methanol-based bioprocesses. To understand the mechanisms underlying the tolerance to methanol and to linear monocarboxylic acids of increasing lipophilicity (acetic, butyric, and octanoic acids), at a genome-wide scale, two chemogenomic experiments were performed using the model yeast S. cerevisiae. Results highlighted the importance of DNA repair genes (RAD genes) for methanol tolerance and of mitochondrial functions for coping with weak acid-induced stress, particularly with the more liposoluble octanoic acid. These genes and biological functions are promising targets for synthetic biology to develop more robust superior industrial strains, a highly desirable phenotype to increase the economic viability of bioprocesses based on mixtures of short/medium-chain fatty acids derived from anaerobic digestion of low-cost biodegradable substrates, on lignocellulose hydrolysates, or on methanol.

Authors in the community:

• 

  M

  Marta Neves Mota

  ist187810

Supervisors of this institution:

• 

  I

  Isabel Sá-Correia

  ist11177

101790040

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• Diversidade de leveduras
• mecanismos de toxicidade e tolerância
• lípidos microbianos
• metanol
• ácidos gordos voláteis (VFAs)
• Yeast diversity
• toxicity and tolerance mechanisms
• microbial oils
• methanol
• volatile fatty acids (VFAs)

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia