Published April 30, 2016
| Version v1
Publication
Open
Engineering a natural Saccharomyces cerevisiae strain for ethanol production from inulin by consolidated bioprocessing
Creators
- 1. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology
- 2. Chinese Academy of Sciences
Description
The yeast Saccharomyces cerevisiae is an important eukaryotic workhorse in traditional and modern biotechnology. At present, only a few S. cerevisiae strains have been extensively used as engineering hosts. Recently, an astonishing genotypic and phenotypic diversity of S. cerevisiae was disclosed in natural populations. We suppose that some natural strains can be recruited as superior host candidates in bioengineering. This study engineered a natural S. cerevisiae strain with advantages in inulin utilization to produce ethanol from inulin resources by consolidated bioprocess. Rational engineering strategies were employed, including secretive co-expression of heterologous exo- and endo-inulinases, repression of a protease, and switch between haploid and diploid strains.Results from co-expressing endo- and exo-inulinase genes showed that the extracellular inulinase activity increased 20 to 30-fold in engineered S. cerevisiae strains. Repression of the protease PEP4 influenced cell physiology in late stationary phase. Comparison between haploid and diploid engineered strains indicated that diploid strains were superior to haploid strains in ethanol production albeit not in production and secretion of inulinases. Ethanol fermentation from both inulin and Jerusalem artichoke tuber powder was dramatically improved in most engineered strains. Ethanol yield achieved in the ultimate diploid strain JZD-InuMKCP was close to the theoretical maximum. Productivity achieved in the strain JZD-InuMKCP reached to 2.44 and 3.13 g/L/h in fermentation from 200 g/L inulin and 250 g/L raw Jerusalem artichoke tuber powder, respectively. To our knowledge, these are the highest productivities reported up to now in ethanol fermentation from inulin resources.Although model S. cerevisiae strains are preferentially used as hosts in bioengineering, some natural strains do have specific excellent properties. This study successfully engineered a natural S. cerevisiae strain for efficient ethanol production from inulin resources by consolidated bioprocess, which indicated the feasibility of natural strains used as bioengineering hosts. This study also presented different properties in enzyme secretion and ethanol fermentation between haploid and diploid engineering strains. These findings provided guidelines for host selection in bioengineering.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الخميرة Saccharomyces cerevisiae هي العمود الفقري المهم لحقيقيات النوى في التكنولوجيا الحيوية التقليدية والحديثة. في الوقت الحاضر، لم يتم استخدام سوى عدد قليل من سلالات S. cerevisiae على نطاق واسع كمضيف هندسي. في الآونة الأخيرة، تم الكشف عن تنوع مذهل في النمط الجيني والنمط الظاهري لـ S. cerevisiae في المجموعات الطبيعية. نفترض أنه يمكن توظيف بعض السلالات الطبيعية كمرشحين مضيفين متفوقين في الهندسة الحيوية. صممت هذه الدراسة سلالة S. cerevisiae طبيعية مع مزايا في استخدام الإينولين لإنتاج الإيثانول من موارد الإينولين عن طريق عملية حيوية موحدة. تم استخدام استراتيجيات هندسية عقلانية، بما في ذلك التعبير المشترك السري عن إنزيمات الإنزيمات الخارجية والداخلية غير المتجانسة، وقمع الأنزيم البروتيني، والتبديل بين سلالات أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصيغة الصبغية. وأظهرت النتائج من جينات الإنزيمات الداخلية والخارجية أن نشاط إنزيمات الإنزيمات خارج الخلية زاد من 20 إلى 30 ضعفًا في سلالات S. cerevisiae المهندسة. أثر كبت البروتياز PEP4 على فسيولوجيا الخلايا في المرحلة الثابتة المتأخرة. أشارت المقارنة بين السلالات المهندسة أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصيغة الصبغية إلى أن السلالات ثنائية الصيغة الصبغية كانت متفوقة على السلالات أحادية الصيغة الصبغية في إنتاج الإيثانول وإن لم يكن في إنتاج وإفراز إنزيمات الأنسولين. تم تحسين تخمير الإيثانول من كل من الإينولين ومسحوق درنة الخرشوف في القدس بشكل كبير في معظم السلالات المهندسة. كان إنتاج الإيثانول الذي تم تحقيقه في السلالة ثنائية الصيغة الصبغية النهائية JZD - InuMKCP قريبًا من الحد الأقصى النظري. وصلت الإنتاجية المحققة في سلالة JZD - InuMKCP إلى 2.44 و 3.13 جم/لتر/ساعة في التخمير من 200 جم/لتر من الإينولين و 250 جم/لتر من مسحوق درنة الخرشوف الخام في القدس، على التوالي. على حد علمنا، هذه هي أعلى الإنتاجية التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن في تخمير الإيثانول من موارد الأنسولين. على الرغم من أن سلالات S. cerevisiae النموذجية تستخدم بشكل تفضيلي كمضيفات في الهندسة الحيوية، إلا أن بعض السلالات الطبيعية لها خصائص ممتازة محددة. نجحت هذه الدراسة في هندسة سلالة S. cerevisiae الطبيعية لإنتاج الإيثانول بكفاءة من موارد الإينولين عن طريق العملية الحيوية الموحدة، والتي أشارت إلى جدوى السلالات الطبيعية المستخدمة كمضيفات للهندسة الحيوية. كما قدمت هذه الدراسة خصائص مختلفة في إفراز الإنزيم وتخمر الإيثانول بين السلالات الهندسية أحادية الصيغة الصبغية وثنائية الصيغة الصبغية. قدمت هذه النتائج مبادئ توجيهية لاختيار المضيف في الهندسة الحيوية.Translated Description (French)
La levure Saccharomyces cerevisiae est un cheval de bataille eucaryote important dans la biotechnologie traditionnelle et moderne. À l'heure actuelle, seules quelques souches de S. cerevisiae ont été largement utilisées comme hôtes d'ingénierie. Récemment, une étonnante diversité génotypique et phénotypique de S. cerevisiae a été révélée dans des populations naturelles. Nous supposons que certaines souches naturelles peuvent être recrutées comme candidates hôtes supérieures en bio-ingénierie. Cette étude a mis au point une souche naturelle de S. cerevisiae avec des avantages dans l'utilisation de l'inuline pour produire de l'éthanol à partir de ressources en inuline par bioprocédés consolidés. Des stratégies d'ingénierie rationnelles ont été utilisées, notamment la co-expression secrète d'exo- et d'endo-inulinases hétérologues, la répression d'une protéase et la commutation entre les souches haploïdes et diploïdes. Les résultats de la co-expression des gènes endo- et exo-inulinases ont montré que l'activité extracellulaire de l'inulinase était multipliée par 20 à 30 chez les souches de S. cerevisiae modifiées. La répression de la protéase PEP4 a influencé la physiologie cellulaire en phase stationnaire tardive. La comparaison entre les souches haploïdes et diploïdes modifiées a indiqué que les souches diploïdes étaient supérieures aux souches haploïdes dans la production d'éthanol, mais pas dans la production et la sécrétion d'inulinases. La fermentation de l'éthanol à partir d'inuline et de poudre de tubercule d'artichaut de Jérusalem a été considérablement améliorée dans la plupart des souches modifiées. Le rendement en éthanol atteint dans la souche diploïde ultime JZD-InuMKCP était proche du maximum théorique. Productivité atteinte dans la souche JZD-InuMKCP atteinte à 2,44 et 3,13 g/L/h en fermentation à partir de 200 g/L d'inuline et 250 g/L de poudre brute de tubercule d'artichaut de Jérusalem, respectivement. À notre connaissance, ce sont les productivités les plus élevées rapportées jusqu'à présent dans la fermentation de l'éthanol à partir de ressources en inuline. Bien que les souches de S. cerevisiae modèles soient préférentiellement utilisées comme hôtes en bio-ingénierie, certaines souches naturelles ont d'excellentes propriétés spécifiques. Cette étude a mis au point avec succès une souche naturelle de S. cerevisiae pour une production efficace d'éthanol à partir de ressources en inuline par un bioprocessus consolidé, ce qui a indiqué la faisabilité de souches naturelles utilisées comme hôtes de bio-ingénierie. Cette étude a également présenté différentes propriétés dans la sécrétion enzymatique et la fermentation de l'éthanol entre les souches haploïdes et diploïdes. Ces résultats ont fourni des lignes directrices pour la sélection des hôtes en bio-ingénierie.Translated Description (Spanish)
La levadura Saccharomyces cerevisiae es un importante caballo de batalla eucariota en la biotecnología tradicional y moderna. En la actualidad, solo unas pocas cepas de S. cerevisiae se han utilizado ampliamente como huéspedes de ingeniería. Recientemente, se descubrió una asombrosa diversidad genotípica y fenotípica de S. cerevisiae en poblaciones naturales. Suponemos que algunas cepas naturales pueden ser reclutadas como candidatas a huéspedes superiores en bioingeniería. Este estudio diseñó una cepa natural de S. cerevisiae con ventajas en la utilización de inulina para producir etanol a partir de recursos de inulina mediante un bioproceso consolidado. Se emplearon estrategias de ingeniería racional, incluida la coexpresión secreta de exoinulinasas y endoinulinasas heterólogas, la represión de una proteasa y el cambio entre cepas haploides y diploides. Los resultados de la coexpresión de genes de endoinulinasa y exoinulinasa mostraron que la actividad extracelular de la inulinasa aumentó de 20 a 30 veces en cepas de S. cerevisiae modificadas. La represión de la proteasa PEP4 influyó en la fisiología celular en la fase estacionaria tardía. La comparación entre las cepas modificadas haploides y diploides indicó que las cepas diploides fueron superiores a las cepas haploides en la producción de etanol, aunque no en la producción y secreción de inulinasas. La fermentación de etanol a partir de inulina y polvo de tubérculo de alcachofa de Jerusalén mejoró drásticamente en la mayoría de las cepas modificadas. El rendimiento de etanol logrado en la cepa diploide final JZD-InuMKCP fue cercano al máximo teórico. La productividad alcanzada en la cepa JZD-InuMKCP alcanzó 2.44 y 3.13 g/L/h en fermentación a partir de 200 g/L de inulina y 250 g/L de polvo crudo de tubérculo de alcachofa de Jerusalén, respectivamente. Hasta donde sabemos, estas son las productividades más altas reportadas hasta ahora en la fermentación de etanol a partir de recursos de inulina. Aunque las cepas modelo de S. cerevisiae se utilizan preferentemente como huéspedes en bioingeniería, algunas cepas naturales tienen excelentes propiedades específicas. Este estudio diseñó con éxito una cepa natural de S. cerevisiae para la producción eficiente de etanol a partir de recursos de inulina mediante bioprocesos consolidados, lo que indicó la viabilidad de las cepas naturales utilizadas como huéspedes de bioingeniería. Este estudio también presentó diferentes propiedades en la secreción enzimática y la fermentación de etanol entre las cepas de ingeniería haploide y diploide. Estos hallazgos proporcionaron directrices para la selección de huéspedes en bioingeniería.Files
s13068-016-0511-4.pdf
Files
(2.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:bddd9af50b8b8c9cc49e1973d6357610
|
2.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- هندسة سلالة السكريات الطبيعية لإنتاج الإيثانول من الأنسولين عن طريق المعالجة الحيوية الموحدة
- Translated title (French)
- Ingénierie d'une souche naturelle de Saccharomyces cerevisiae pour la production d'éthanol à partir d'inuline par bioprocédage consolidé
- Translated title (Spanish)
- Diseñar una cepa natural de Saccharomyces cerevisiae para la producción de etanol a partir de inulina mediante bioprocesamiento consolidado
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2345239211
- DOI
- 10.1186/s13068-016-0511-4
References
- https://openalex.org/W1483456869
- https://openalex.org/W1594521145
- https://openalex.org/W1698884382
- https://openalex.org/W1782064836
- https://openalex.org/W1915985739
- https://openalex.org/W1969489092
- https://openalex.org/W1975587955
- https://openalex.org/W1979914496
- https://openalex.org/W1980196761
- https://openalex.org/W1986867062
- https://openalex.org/W1989398734
- https://openalex.org/W1995340594
- https://openalex.org/W2004547992
- https://openalex.org/W2016750303
- https://openalex.org/W2018440937
- https://openalex.org/W2018994057
- https://openalex.org/W2019488331
- https://openalex.org/W2021726534
- https://openalex.org/W2038406364
- https://openalex.org/W2042699447
- https://openalex.org/W2051115565
- https://openalex.org/W2057807326
- https://openalex.org/W2060895309
- https://openalex.org/W2061437600
- https://openalex.org/W2066753114
- https://openalex.org/W2070738423
- https://openalex.org/W2072369409
- https://openalex.org/W2077107298
- https://openalex.org/W2113494360
- https://openalex.org/W2121329928
- https://openalex.org/W2121331980
- https://openalex.org/W2122298299
- https://openalex.org/W2135978093
- https://openalex.org/W2141229408
- https://openalex.org/W2141378772
- https://openalex.org/W2141810845
- https://openalex.org/W2144478242
- https://openalex.org/W2145265114
- https://openalex.org/W2151249875
- https://openalex.org/W2159139667
- https://openalex.org/W2165630230
- https://openalex.org/W2169673791
- https://openalex.org/W2170392103
- https://openalex.org/W2412196648
- https://openalex.org/W283077475