Resumo: A conscientização acerca de questões ambientais aumenta a demanda de combustíveis oriundos de fontes renováveis. No Brasil, foi implementado o bioetanol de cana-de-açúcar e, em meados da década de 1970, sua produção foi expandida devido à incentivos do ProÁlcool. Hoje, existem três processos de produção de etanol carburante no Brasil: o etanol de primeira geração, o de segunda geração que incorpora o bagaço e a palha da cana no processo, e o etanol de milho. Comum aos três processos tem-se a utilização da levedura Saccharomyces cerevisiae, na converte açúcares presentes na biomassa em etanol a partir da fermentação alcoólica. No entanto, as leveduras aplicadas a cada uma das abordagens (cana 1G, cana 2G e milho) são submetidas a estresses muito distintos. O etanol de milho, por exemplo, lida com intenso estresse osmótico devido à alta concentração de açúcares, bem como com o estresse à elevadas concentrações de etanol, chegando a 20g/L. O processo de produção de etanol de cana-de-açúcar de primeira geração, por sua vez, lida com recorrentes contaminações bacterianas, gerando um ambiente de competição por substrato. Em decorrência destas contaminações, também há a prática do reciclo celular utilizando ácido sulfúrico para eliminar as bactérias de uma batelada e empregar as leveduras na batelada seguinte. Por fim, o etanol de segunda geração, utilizando material lignocelulósico da cana de açúcar, tem como principal fator limitante atingir o consumo eficiente de xilose, uma pentose cujo metabolismo não é natural para S. cerevisiae. Assim como na natureza, os processos industriais propiciam diferentes combinações de estresses que levam à adaptações relevantes ao fenótipo necessário para sobreviver a condições adversas. Evidências destas adaptações podem ser identificadas por ferramentas de bioinformática aliadas à evolução molecular e deste modo trazer informações a respeito de genes ou mutações com potencial aplicação aos diversos fenótipos intrínsecos à indústria. No presente trabalho exploramos três conjuntos de dados com o intuito de entender potenciais adaptações moldadas por seleção natural em genes e funções biológicas relacionadas ao consumo de xilose, à processos industriais (cana de açúcar e milho), e à capacidade de metabolizar amido. Dentre os conjuntos de dados foram utilizados 182 genomas de fungos do subfilo Saccharomycotina; 72 genomas de levedura S. cerevisiae tanto de uso industrial quanto de isolados ambientais, e genomas de 11 fungos filamentosos com potencial amilolítico. A busca por evidências de seleção natural baseiam-se em modelos evolutivos que testam as relações observadas entre substituições sinônimas (dS), com maior potencial neutro, e não-sinônimas (dN), com maior potencial adaptativo por efetivamente alterarem a sequência da proteína traduzida. Neste escopo, foram realizadas análises evolutivas para compreender três questões principais: (i) a história evolutiva do gene xilose desidrogenase, o qual propomos atuar na redução do desbalanço redox perante fermentações de meio rico em xilose; (ii) entender quais as potenciais adaptações foram acumuladas em leveduras utilizadas no processo industrial de milho e de cana de açúcar 1G, e encontramos diferentes conjuntos de genes relacionados à resposta ao estresse para ambos os grupos; e (iii) entender funções moleculares que tiveram maior atuação da seleção natural ao longo da evolução do fenótipo amilolítico – tanto para fungos filamentosos quanto para leveduras. E ncontramos evidência de seleção em genes que fazem hub de ligação entre a pentose fosfato e a glicólise (PGI1, ZWF1 e TAL1), genes que já foram relacionados ao crescimento diáuxico entre glicose e maltose (açúcares presentes no processo de etanol de milho) e na família gênica que regula a expressão do complexo MAL, responsável pelo transporte e metabolismo de maltose Ver menos

Abstract: Awareness of environmental issues increases the demand for fuels from renewable sources. In Brazil, sugarcane bioethanol was implemented, and in the mid-1970s, its production was expanded due to incentives from the ProÁlcool program. Today, there are three ethanol production processes in Brazil: first-generation ethanol, second-generation ethanol, which incorporates sugarcane bagasse and straw, and corn ethanol. Common to all three processes is the use of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which converts sugars present in the biomass into ethanol through alcoholic fermentation. However, yeasts used in each of these approaches (1G cane, 2G cane, and corn) are subjected to very different stresses. Corn ethanol, for example, deals with intense osmotic stress due to the high concentration of sugars, as well as stress from high ethanol concentrations, reaching 20g/L. First-generation sugarcane ethanol production, in turn, deals with recurrent bacterial contamination, creating a competitive environment for the substrate. As a result of these contaminations, there is also the practice of cell recycling using sulfuric acid to eliminate bacteria from one batch and employ the yeasts in the next batch. Finally, second-generation ethanol, using lignocellulosic material from sugarcane, has as its main limiting factor the efficient consumption of xylose, a pentose whose metabolism is not natural for S. cerevisiae. As in nature, industrial processes provide different combinations of stresses that lead to relevant adaptations in the phenotype needed to survive under adverse conditions. Evidence of these adaptations can be identified through bioinformatics tools combined with molecular evolution, thereby providing information on genes or mutations with potential applications for the various phenotypes intrinsic to the industry. In this study, we explored three datasets with the aim of understanding potential adaptations in genes and biological functions related to xylose consumption, industrial processes (sugarcane and corn), and the ability to metabolize starch. Among the datasets used were 182 genomes of fungi from the Saccharomycotina subphylum; 72 genomes of S. cerevisiae yeasts, both industrial and environmental isolates, and genomes of 11 filamentous fungi with amylolytic potential. The search for evidence of natural selection is based on models that test the observed relationships between synonymous substitutions (dS), with greater neutral potential, and non-synonymous substitutions (dN), with greater adaptive potential. In this scope, evolutionary analyses were carried out to understand three main questions: (i) the evolutionary history of the xylose dehydrogenase gene, which we propose acts in the reduction of redox imbalance during fermentation of xylose-rich medium; (ii) understanding the potential adaptations accumulated in yeasts used in the industrial processes of corn and 1G sugarcane, and we found different sets of genes related to stress response for both groups; and (iii) understanding molecular functions that have been more strongly affected by natural selection throughout the evolution of the amylolytic phenotype — both for filamentous fungi and yeasts. In this context, we found evidence of selection in genes that act as hubs linking the pentose phosphate pathway and glycolysis (PGI1, ZWF1, and TAL1), genes previously linked to diauxic growth between glucose and maltose (sugars present in the corn ethanol process), and the gene family that regulates the expression of the MAL complex, responsible for maltose transport and metabolism Ver menos