Published January 3, 2021 | Version v1
Publication Open

Physiological characterization and transcriptome analysis of Pichia pastoris reveals its response to lignocellulose-derived inhibitors

Creators

  • 1. Brazilian Agricultural Research Corporation
  • 2. Universidade de Brasília

Description

Abstract The negative effects of lignocellulose-derived inhibitors such as acetic acid and furaldehydes on microbial metabolism constitute a significant drawback to the usage of biomass feedstocks for the production of fuels and chemicals. The yeast Pichia pastoris has shown a great biotechnological potential for producing heterologous proteins and renewable chemicals. Despite its relevance, the performance of P. pastoris in presence of lignocellulose-derived inhibitors remains unclear. In this work, our results show for the first time the dose-dependent response of P. pastoris to acetic acid, furaldehydes (HMF and furfural), and sugarcane biomass hydrolysate, both at physiological and transcriptional levels. The yeast was able to grow in synthetic media with up to 6 g.L −1 acetic acid, 1.75 g.L −1 furaldehydes or hydrolysate diluted to 10% (v/v). However, its metabolism was completely hindered in presence of hydrolysate diluted to 30% (v/v). Additionally, the yeast was capable to co-consume acetic acid and glucose. At the transcriptional level, P. pastoris response to lignocellulose-derived inhibitors relays on the up-regulation of genes related to transmembrane transport, oxidoreductase activities, RNA processing, and the repression of pathways related to biosynthetic processes and central carbon metabolism. These results demonstrate a polygenetic response that involves detoxification activities, and maintenance of energy and cellular homeostasis. In this context, ALD4, OYE3, QOR2, NTL100, YCT1, and PPR1 were identified as target genes to improve P. pastoris tolerance. Altogether, this work provides valuable insights into the P. pastoris stress tolerance, which can be useful to expand its use in different bioprocesses.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلاصة تشكل الآثار السلبية للمثبطات المشتقة من الليجنوسلولوز مثل حمض الخليك والفورالديهيدات على الأيض الميكروبي عائقًا كبيرًا أمام استخدام المواد الأولية للكتلة الحيوية لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية. أظهرت خميرة بيتشيا باستوريس إمكانات تكنولوجية حيوية كبيرة لإنتاج بروتينات غير متجانسة ومواد كيميائية متجددة. على الرغم من أهميتها، لا يزال أداء P. pastoris في وجود مثبطات مشتقة من الليجنوسلولوز غير واضح. في هذا العمل، تظهر نتائجنا لأول مرة الاستجابة المعتمدة على الجرعة من P. pastoris لحمض الخليك، furaldehydes (HMF و furfural)، وتحلل الكتلة الحيوية لقصب السكر، على المستويين الفسيولوجي والنسخ. كانت الخميرة قادرة على النمو في الأوساط الاصطناعية مع ما يصل إلى 6 غرام من حمض الأسيتيك، و 1.75 غرام من الفورالديهيدات أو التحلل المائي المخفف إلى 10 ٪ (حجم/حجم). ومع ذلك، تم إعاقة عملية الأيض تمامًا في وجود تحلل مائي مخفف إلى 30 ٪ (حجم/حجم). بالإضافة إلى ذلك، كانت الخميرة قادرة على الاستهلاك المشترك لحمض الخليك والجلوكوز. على مستوى النسخ، تتابع استجابة P. pastoris للمثبطات المشتقة من lignocellulose على التنظيم الأعلى للجينات المتعلقة بالنقل عبر الغشاء، وأنشطة الأكسدة، ومعالجة الحمض النووي الريبي، وقمع المسارات المتعلقة بالعمليات التخليقية الحيوية واستقلاب الكربون المركزي. تُظهر هذه النتائج استجابة متعددة الجينات تنطوي على أنشطة إزالة السموم، والحفاظ على الطاقة والتوازن الخلوي. في هذا السياق، تم تحديد ALD4 و OYE3 و QOR2 و NTL100 و YCT1 و PPR1 كجينات مستهدفة لتحسين تحمل P. pastoris. إجمالاً، يوفر هذا العمل رؤى قيمة حول تحمل الإجهاد P. pastoris، والذي يمكن أن يكون مفيدًا لتوسيع استخدامه في العمليات الحيوية المختلفة.

Translated Description (French)

Résumé Les effets négatifs des inhibiteurs dérivés de la lignocellulose tels que l'acide acétique et les furaldéhydes sur le métabolisme microbien constituent un inconvénient important à l'utilisation des matières premières de la biomasse pour la production de carburants et de produits chimiques. La levure Pichia pastoris a montré un grand potentiel biotechnologique pour la production de protéines hétérologues et de produits chimiques renouvelables. Malgré sa pertinence, la performance de P. pastoris en présence d'inhibiteurs dérivés de la lignocellulose reste incertaine. Dans ce travail, nos résultats montrent pour la première fois la réponse dose-dépendante de P. pastoris à l'acide acétique, aux furaldéhydes (HMF et furfural) et à l'hydrolysat de biomasse de canne à sucre, tant au niveau physiologique que transcriptionnel. La levure a pu croître dans des milieux synthétiques avec jusqu'à 6 g.L −1 d'acide acétique, 1,75 g.L −1 de furaldéhydes ou d'hydrolysat dilué à 10 % (v/v). Cependant, son métabolisme a été complètement entravé en présence d'hydrolysat dilué à 30% (v/v). De plus, la levure était capable de co-consommer de l'acide acétique et du glucose. Au niveau transcriptionnel, la réponse de P. pastoris aux inhibiteurs dérivés de la lignocellulose relaie la régulation positive des gènes liés au transport transmembranaire, aux activités oxydoréductases, au traitement de l'ARN et à la répression des voies liées aux processus biosynthétiques et au métabolisme central du carbone. Ces résultats démontrent une réponse polygénétique qui implique des activités de désintoxication et le maintien de l'énergie et de l'homéostasie cellulaire. Dans ce contexte, ALD4, OYE3, QOR2, NTL100, YCT1 et PPR1 ont été identifiés comme gènes cibles pour améliorer la tolérance à P. pastoris. Dans l'ensemble, ce travail fournit des informations précieuses sur la tolérance au stress de P. pastoris, qui peuvent être utiles pour étendre son utilisation dans différents bioprocédés.

Translated Description (Spanish)

Resumen Los efectos negativos de los inhibidores derivados de la lignocelulosa, como el ácido acético y los furaldehídos, sobre el metabolismo microbiano constituyen un inconveniente significativo para el uso de materias primas de biomasa para la producción de combustibles y productos químicos. La levadura Pichia pastoris ha mostrado un gran potencial biotecnológico para producir proteínas heterólogas y productos químicos renovables. A pesar de su relevancia, el rendimiento de P. pastoris en presencia de inhibidores derivados de la lignocelulosa sigue sin estar claro. En este trabajo, nuestros resultados muestran por primera vez la respuesta dosis-dependiente de P. pastoris al ácido acético, furaldehídos (HMF y furfural) e hidrolizado de biomasa de caña de azúcar, tanto a nivel fisiológico como transcripcional. La levadura fue capaz de crecer en medios sintéticos con hasta 6 g.L-1 de ácido acético, 1.75 g.L-1 de furaldehídos o hidrolizado diluido al 10% (v/v). Sin embargo, su metabolismo se vio completamente obstaculizado en presencia de hidrolizado diluido al 30% (v/v). Además, la levadura fue capaz de co-consumir ácido acético y glucosa. A nivel transcripcional, la respuesta de P. pastoris a los inhibidores derivados de la lignocelulosa se relaciona con la regulación positiva de los genes relacionados con el transporte transmembrana, las actividades de la oxidorreductasa, el procesamiento del ARN y la represión de las vías relacionadas con los procesos biosintéticos y el metabolismo central del carbono. Estos resultados demuestran una respuesta poligenética que implica actividades de desintoxicación y mantenimiento de la energía y la homeostasis celular. En este contexto, ALD4, OYE3, QOR2, NTL100, YCT1 y PPR1 se identificaron como genes diana para mejorar la tolerancia a P. pastoris. En conjunto, este trabajo proporciona información valiosa sobre la tolerancia al estrés de P. pastoris, que puede ser útil para ampliar su uso en diferentes bioprocesos.

Files

s13568-020-01170-9.pdf

Files (2.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:1632573a59d6da56b0d975ab9f434c75
2.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكشف التوصيف الفسيولوجي والتحليل النصي للبيتشيا باستوريس عن استجابتها للمثبطات المشتقة من الليجنوسليلوز
Translated title (French)
La caractérisation physiologique et l'analyse du transcriptome de Pichia pastoris révèlent sa réponse aux inhibiteurs dérivés de la lignocellulose
Translated title (Spanish)
La caracterización fisiológica y el análisis del transcriptoma de Pichia pastoris revela su respuesta a los inhibidores derivados de la lignocelulosa

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3118727263
DOI
10.1186/s13568-020-01170-9

Is supplement to
https://openalex.org/W3096031463 (Other)
https://openalex.org/W2402221135 (Other)
https://openalex.org/W2393867567 (Other)
https://openalex.org/W2389841202 (Other)
https://openalex.org/W2388275603 (Other)
https://openalex.org/W2384724851 (Other)
https://openalex.org/W2347595189 (Other)
https://openalex.org/W2131985559 (Other)
https://openalex.org/W2041265614 (Other)
https://openalex.org/W171573478 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1607720313
  • https://openalex.org/W1775581497
  • https://openalex.org/W1968499092
  • https://openalex.org/W1969353942
  • https://openalex.org/W1970351604
  • https://openalex.org/W1974022376
  • https://openalex.org/W1976247623
  • https://openalex.org/W1977830998
  • https://openalex.org/W1985025002
  • https://openalex.org/W1988079922
  • https://openalex.org/W1991656269
  • https://openalex.org/W1998863699
  • https://openalex.org/W2005403620
  • https://openalex.org/W2013501076
  • https://openalex.org/W2016229032
  • https://openalex.org/W2016594251
  • https://openalex.org/W2018468508
  • https://openalex.org/W2019731805
  • https://openalex.org/W2024151434
  • https://openalex.org/W2056516020
  • https://openalex.org/W2065645659
  • https://openalex.org/W2075961058
  • https://openalex.org/W2077587123
  • https://openalex.org/W2081384796
  • https://openalex.org/W2089223635
  • https://openalex.org/W2090084664
  • https://openalex.org/W2099687909
  • https://openalex.org/W2101591065
  • https://openalex.org/W2102436900
  • https://openalex.org/W2102888690
  • https://openalex.org/W2103602723
  • https://openalex.org/W2106935141
  • https://openalex.org/W2107764928
  • https://openalex.org/W2107910846
  • https://openalex.org/W2115318784
  • https://openalex.org/W2117061686
  • https://openalex.org/W2125652910
  • https://openalex.org/W2131271579
  • https://openalex.org/W2132796770
  • https://openalex.org/W2132843225
  • https://openalex.org/W2134526812
  • https://openalex.org/W2146759090
  • https://openalex.org/W2148269983
  • https://openalex.org/W2149120585
  • https://openalex.org/W2151649323
  • https://openalex.org/W2154726965
  • https://openalex.org/W2158906421
  • https://openalex.org/W2159099029
  • https://openalex.org/W2159611122
  • https://openalex.org/W2164605011
  • https://openalex.org/W2169456326
  • https://openalex.org/W2179438025
  • https://openalex.org/W2588053842
  • https://openalex.org/W2741598729
  • https://openalex.org/W2749487661
  • https://openalex.org/W2754609839
  • https://openalex.org/W2775591739
  • https://openalex.org/W2782212925
  • https://openalex.org/W2790420020
  • https://openalex.org/W2792123520
  • https://openalex.org/W2794580877
  • https://openalex.org/W2799679878
  • https://openalex.org/W2801384903
  • https://openalex.org/W2884475265
  • https://openalex.org/W2902867462
  • https://openalex.org/W2935819102
  • https://openalex.org/W2936401245
  • https://openalex.org/W2970446258
  • https://openalex.org/W3015285602
  • https://openalex.org/W3016520048
  • https://openalex.org/W4252419751