Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia

Resumo: A produção fermentativa de etanol a partir de substratos chamados de "primeira geração", como cana-de-açúcar e amido de milho, já atingiu níveis muito elevados de eficiência. As linhagens industriais utilizadas nestes processos já são adaptadas ao ambiente industrial e possuem...

Resumo: A produção fermentativa de etanol a partir de substratos chamados de "primeira geração", como cana-de-açúcar e amido de milho, já atingiu níveis muito elevados de eficiência. As linhagens industriais utilizadas nestes processos já são adaptadas ao ambiente industrial e possuem características que dificultam o melhoramento por engenharia genética tradicional. Duas abordagens inovadoras foram utilizadas para buscar processos fermentativos mais eficientes: o uso de reatores bioelétricos para alterar os produtos da fermentação e um ensaio de engenharia evolutiva para otimizar fenótipos heterólogos. Foram feitas fermentações bioelétricas com Saccharomyces cerevisiae, obtendo aumentos de produtividade de etanol, sem alterar o rendimento final, e também mudanças nas proporções dos subprodutos glicerol e acetato. Uma resposta distinta foi observada para uma linhagem industrial cultivada nas mesmas condições. Foram realizadas análises de expressão gênica global de linhagens de laboratório e industrial fermentando sob estímulo bioelétrico. Não foram observadas alterações na via fermentativa, mas houve variações grandes na expressão de genes relacionados a outros aspectos da fisiologia da levedura, como genes para síntese de lipídios de membrana e genes desconhecidos ou com funções aparentemente não-relacionadas ao processo fermentativo. Também foi evidente uma resposta global diferente entre as duas linhagens. Foi estabelecido um método automatizado para ensaios de engenharia evolutiva, que permitiu a seleção de linhagens por crescimento em celobiose. Utilizando apenas a variabilidade presente no genoma de uma linhagem industrial diplóide, foi possível obter linhagens haplóides com desempenho superior à linhagem parental. Portanto, esta estratégia pode ser viável para se obter fenótipos superiores utilizando linhagens distantes de S. cerevisiae

Abstract: Fermentative ethanol production from substrates known as "first generation", such as sugar cane and corn starch, has reached very high levels of efficiency. The industrial strains used in these processes are already adapted to the industrial environment and possess characteristics that...

Abstract: Fermentative ethanol production from substrates known as "first generation", such as sugar cane and corn starch, has reached very high levels of efficiency. The industrial strains used in these processes are already adapted to the industrial environment and possess characteristics that hinder further improvement by traditional genetic engineering. Two innovative approaches were used to seek more efficient fermentation processes: the use of bioelectric reactors to alter fermentation products and an evolutionary engineering assay to optimize heterologous phenotypes. Bioelectric fermentations were carried out with Saccharomyces cerevisiae, obtaining increases in ethanol productivity, without changing the final yield, and also changes in the proportions of byproducts glycerol and acetate. A distinct response was observed for an industrial strain cultivated under the same conditions. Global gene expression analyses were carried out for a laboratory and industrial strain under bioelectric stimulus. No changes were observed for the fermentative pathway, but there were large variations in expression for genes related to other aspects of yeast physiology, such as membrane lipid synthesis and unknown genes or genes with functions that are apparently unrelated to the fermentation process. A difference in the global response for the two strains was also evident. An automated method for evolutionary engineering assays was established, which allowed the selection of strains by growth on cellobiose. Using only the genetic variability present within the genome of a diploid industrial strain, it was possible to obtain haploid strains with superior growth rate when compared to the parental strain. Therefore, this strategy may be viable for obtaining superior phenotypes using distant strains of S. cerevisiae