Enhanced xylose fermentation and ethanol production by engineered Saccharomyces cerevisiae strain
Creators
- 1. Universidade Federal do Rio de Janeiro
- 2. Universidade de Brasília
Description
We have recently demonstrated that heterologous expression of a bacterial xylose isomerase gene (xylA) of Burkholderia cenocepacia enabled a laboratorial Saccharomyces cerevisiae strain to ferment xylose anaerobically, without xylitol accumulation. However, the recombinant yeast fermented xylose slowly. In this study, an evolutionary engineering strategy was applied to improve xylose fermentation by the xylA-expressing yeast strain, which involved sequential batch cultivation on xylose. The resulting yeast strain co-fermented glucose and xylose rapidly and almost simultaneously, exhibiting improved ethanol production and productivity. It was also observed that when cells were grown in a medium containing higher glucose concentrations before being transferred to fermentation medium, higher rates of xylose consumption and ethanol production were obtained, demonstrating that xylose utilization was not regulated by catabolic repression. Results obtained by qPCR demonstrate that the efficiency in xylose fermentation showed by the evolved strain is associated, to the increase in the expression of genes HXT2 and TAL1, which code for a low-affinity hexose transporter and transaldolase, respectively. The ethanol productivity obtained after the introduction of only one genetic modification and the submission to a one-stage process of evolutionary engineering was equivalent to those of strains submitted to extensive metabolic and evolutionary engineering, providing solid basis for future applications of this strategy in industrial strains.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
لقد أثبتنا مؤخرًا أن التعبير غير المتجانس عن جين أيزوميراز الزيلوز البكتيري (xylA) من بوركهولديريا سينوسيباسيا مكن سلالة السكريات المخبرية من تخمير الزيلوز لاهوائياً، دون تراكم الزيليتول. ومع ذلك، فإن الخميرة المؤتلفة تخمر الزيلوز ببطء. في هذه الدراسة، تم تطبيق استراتيجية هندسية تطورية لتحسين تخمير الزيلوز بواسطة سلالة الخميرة المعبرة عن الزيلوز، والتي تضمنت زراعة دفعات متتابعة على الزيلوز. يؤدي سلالة الخميرة الناتجة إلى تخمير مشترك للجلوكوز والزيلوز بسرعة وفي وقت واحد تقريبًا، مما يؤدي إلى تحسين إنتاج الإيثانول وإنتاجيته. كما لوحظ أنه عندما نمت الخلايا في وسط يحتوي على تركيزات أعلى من الجلوكوز قبل نقلها إلى وسط التخمير، تم الحصول على معدلات أعلى من استهلاك الزيلوز وإنتاج الإيثانول، مما يدل على أن استخدام الزيلوز لم يتم تنظيمه عن طريق الكبت التقويضي. تُظهر النتائج التي تم الحصول عليها بواسطة QPCR أن الكفاءة في تخمير الزيلوز التي أظهرتها السلالة المتطورة مرتبطة بالزيادة في التعبير عن الجينات HXT2 و TAL1، والتي ترمز إلى ناقل هكسوز منخفض التقارب وناقل الألدولاز، على التوالي. كانت إنتاجية الإيثانول التي تم الحصول عليها بعد إدخال تعديل وراثي واحد فقط والخضوع لعملية من مرحلة واحدة للهندسة التطورية مكافئة لتلك الخاصة بالسلالات التي خضعت للهندسة الأيضية والتطورية الشاملة، مما يوفر أساسًا متينًا للتطبيقات المستقبلية لهذه الاستراتيجية في السلالات الصناعية.Translated Description (French)
Nous avons récemment démontré que l'expression hétérologue d'un gène bactérien de la xylose isomérase (xylA) de Burkholderia cenocepacia permettait à une souche laborieuse de Saccharomyces cerevisiae de fermenter le xylose par voie anaérobie, sans accumulation de xylitol. Cependant, la levure recombinante fermente lentement le xylose. Dans cette étude, une stratégie d'ingénierie évolutive a été appliquée pour améliorer la fermentation du xylose par la souche de levure exprimant le xylA, ce qui impliquait une culture séquentielle par lots sur le xylose. La souche de levure résultante co-fermente le glucose et le xylose rapidement et presque simultanément, présentant une production et une productivité améliorées en éthanol. Il a également été observé que lorsque les cellules étaient cultivées dans un milieu contenant des concentrations de glucose plus élevées avant d'être transférées dans un milieu de fermentation, des taux plus élevés de consommation de xylose et de production d'éthanol étaient obtenus, démontrant que l'utilisation du xylose n'était pas régulée par la répression catabolique. Les résultats obtenus par qPCR démontrent que l'efficacité de la fermentation du xylose montrée par la souche évoluée est associée à l'augmentation de l'expression des gènes HXT2 et TAL1, qui codent respectivement pour un transporteur d'hexose de faible affinité et une transaldolase. La productivité en éthanol obtenue après l'introduction d'une seule modification génétique et la soumission à un processus en une étape d'ingénierie évolutive était équivalente à celle des souches soumises à une ingénierie métabolique et évolutive extensive, fournissant une base solide pour les applications futures de cette stratégie dans les souches industrielles.Translated Description (Spanish)
Recientemente hemos demostrado que la expresión heteróloga de un gen bacteriano de xilosa isomerasa (xylA) de Burkholderia cenocepacia permitió que una cepa de Saccharomyces cerevisiae de laboratorio fermentara la xilosa anaeróbicamente, sin acumulación de xilitol. Sin embargo, la levadura recombinante fermentó la xilosa lentamente. En este estudio, se aplicó una estrategia de ingeniería evolutiva para mejorar la fermentación de xilosa por la cepa de levadura que expresa xylA, que implicó el cultivo secuencial por lotes en xilosa. La cepa de levadura resultante cofermentó glucosa y xilosa rápidamente y casi simultáneamente, exhibiendo una mejor producción y productividad de etanol. También se observó que cuando las células se cultivaron en un medio que contenía concentraciones más altas de glucosa antes de ser transferidas al medio de fermentación, se obtuvieron tasas más altas de consumo de xilosa y producción de etanol, lo que demuestra que la utilización de xilosa no estaba regulada por la represión catabólica. Los resultados obtenidos por qPCR demuestran que la eficiencia en la fermentación de xilosa mostrada por la cepa evolucionada está asociada, al aumento en la expresión de los genes HXT2 y TAL1, que codifican para un transportador de hexosa de baja afinidad y transaldolasa, respectivamente. La productividad del etanol obtenida después de la introducción de una sola modificación genética y la sumisión a un proceso de ingeniería evolutiva de una etapa fue equivalente a la de las cepas sometidas a ingeniería metabólica y evolutiva extensiva, proporcionando una base sólida para futuras aplicaciones de esta estrategia en cepas industriales.Files
s13568-015-0102-y.pdf
Files
(549.3 kB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:bc0c71932e237d984e49e4e7f1bad77f
|
549.3 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تعزيز تخمير الزيلوز وإنتاج الإيثانول عن طريق سلالة السكريات المهندسة
- Translated title (French)
- Amélioration de la fermentation du xylose et de la production d'éthanol par la souche Saccharomyces cerevisiae modifiée
- Translated title (Spanish)
- Mejora de la fermentación de xilosa y la producción de etanol por la cepa de Saccharomyces cerevisiae diseñada
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2124421445
- DOI
- 10.1186/s13568-015-0102-y
References
- https://openalex.org/W1545213125
- https://openalex.org/W1974983180
- https://openalex.org/W1977164941
- https://openalex.org/W1977668929
- https://openalex.org/W1986142068
- https://openalex.org/W2000574510
- https://openalex.org/W2002456289
- https://openalex.org/W2012799742
- https://openalex.org/W2021289001
- https://openalex.org/W2027209854
- https://openalex.org/W2029173147
- https://openalex.org/W2033356767
- https://openalex.org/W2060718895
- https://openalex.org/W2076075565
- https://openalex.org/W2079561354
- https://openalex.org/W2081827055
- https://openalex.org/W2095021805
- https://openalex.org/W2100262190
- https://openalex.org/W2102473891
- https://openalex.org/W2107277218
- https://openalex.org/W2124307134
- https://openalex.org/W2128128186
- https://openalex.org/W2138845203
- https://openalex.org/W2141374544
- https://openalex.org/W2142315987
- https://openalex.org/W2147913192
- https://openalex.org/W2156780012
- https://openalex.org/W2156981846
- https://openalex.org/W2192080449