Published February 7, 2024
| Version v1
Publication
Open
Oxygenation influences xylose fermentation and gene expression in the yeast genera Spathaspora and Scheffersomyces
Creators
- 1. Great Lakes Bioenergy Research Center
- 2. University of Wisconsin–Madison
- 3. Joint Genome Institute
- 4. Lawrence Berkeley National Laboratory
- 5. Universidade Federal de Minas Gerais
- 6. Energy Center of Wisconsin
Description
Cost-effective production of biofuels from lignocellulose requires the fermentation of D-xylose. Many yeast species within and closely related to the genera Spathaspora and Scheffersomyces (both of the order Serinales) natively assimilate and ferment xylose. Other species consume xylose inefficiently, leading to extracellular accumulation of xylitol. Xylitol excretion is thought to be due to the different cofactor requirements of the first two steps of xylose metabolism. Xylose reductase (XR) generally uses NADPH to reduce xylose to xylitol, while xylitol dehydrogenase (XDH) generally uses NAD+ to oxidize xylitol to xylulose, creating an imbalanced redox pathway. This imbalance is thought to be particularly consequential in hypoxic or anoxic environments.We screened the growth of xylose-fermenting yeast species in high and moderate aeration and identified both ethanol producers and xylitol producers. Selected species were further characterized for their XR and XDH cofactor preferences by enzyme assays and gene expression patterns by RNA-Seq. Our data revealed that xylose metabolism is more redox balanced in some species, but it is strongly affected by oxygen levels. Under high aeration, most species switched from ethanol production to xylitol accumulation, despite the availability of ample oxygen to accept electrons from NADH. This switch was followed by decreases in enzyme activity and the expression of genes related to xylose metabolism, suggesting that bottlenecks in xylose fermentation are not always due to cofactor preferences. Finally, we expressed XYL genes from multiple Scheffersomyces species in a strain of Saccharomyces cerevisiae. Recombinant S. cerevisiae expressing XYL1 from Scheffersomyces xylosifermentans, which encodes an XR without a cofactor preference, showed improved anaerobic growth on xylose as the primary carbon source compared to S. cerevisiae strain expressing XYL genes from Scheffersomyces stipitis.Collectively, our data do not support the hypothesis that xylitol accumulation occurs primarily due to differences in cofactor preferences between xylose reductase and xylitol dehydrogenase; instead, gene expression plays a major role in response to oxygen levels. We have also identified the yeast Sc. xylosifermentans as a potential source for genes that can be engineered into S. cerevisiae to improve xylose fermentation and biofuel production.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتطلب الإنتاج الفعال من حيث التكلفة للوقود الحيوي من الليجنوسليلوز تخمير دي- زيلوز. العديد من أنواع الخميرة داخل الأجناس Spathaspora و Scheffersomyces (كلاهما من رتبة Serinales) تستوعب وتتخمر الزيلوز. تستهلك الأنواع الأخرى الزيلوز بشكل غير فعال، مما يؤدي إلى تراكم الزيليتول خارج الخلية. يُعتقد أن إفراز الزيليتول يرجع إلى متطلبات العامل المساعد المختلفة للخطوتين الأوليين من استقلاب الزيلوز. يستخدم اختزال الزيلوز (XR) بشكل عام NADPH لتقليل الزيلوز إلى الزيليتول، بينما يستخدم نازعة هيدروجين الزيليتول (XDH) بشكل عام NAD + لأكسدة الزيليتول إلى الزيلولوز، مما يخلق مسار أكسدة اختزال غير متوازن. يُعتقد أن هذا الخلل له أهمية خاصة في بيئات نقص الأكسجين أو نقص الأكسجين. قمنا بفحص نمو أنواع الخميرة المخمرة للزيلوز في التهوية العالية والمتوسطة وحددنا كل من منتجي الإيثانول ومنتجي الزيليتول. تم تمييز الأنواع المختارة بشكل أكبر لتفضيلاتها للعامل المساعد XR و XDH عن طريق مقايسات الإنزيم وأنماط التعبير الجيني بواسطة RNA - Seq. كشفت بياناتنا أن استقلاب الزيلوز أكثر توازنًا في الأكسدة في بعض الأنواع، لكنه يتأثر بشدة بمستويات الأكسجين. في ظل التهوية العالية، تحولت معظم الأنواع من إنتاج الإيثانول إلى تراكم الزيليتول، على الرغم من توفر كمية كافية من الأكسجين لقبول الإلكترونات من NADH. تبع هذا التبديل انخفاض في نشاط الإنزيم والتعبير عن الجينات المتعلقة باستقلاب الزيلوز، مما يشير إلى أن الاختناقات في تخمير الزيلوز ليست دائمًا بسبب تفضيلات العامل المساعد. أخيرًا، عبرنا عن جينات XYL من أنواع Scheffersomyces المتعددة في سلالة من Saccharomyces cerevisiae. أظهرت S. cerevisiae المؤتلف الذي يعبر عن XYL1 من Scheffersomyces xylosifermentans، والذي يشفر XR دون تفضيل العامل المساعد، نموًا لاهوائيًا محسنًا على الزيلوز كمصدر رئيسي للكربون مقارنة بسلالة S. cerevisiae التي تعبر عن جينات XYL من Scheffersomyces stipitis. بشكل جماعي، لا تدعم بياناتنا الفرضية القائلة بأن تراكم الزيليتول يحدث في المقام الأول بسبب الاختلافات في تفضيلات العامل المساعد بين اختزال الزيلوز ونزع هيدروجين الزيليتول ؛ بدلاً من ذلك، يلعب التعبير الجيني دورًا رئيسيًا في الاستجابة لمستويات الأكسجين. كما حددنا الخميرة Sc. xylosifermentans كمصدر محتمل للجينات التي يمكن هندستها في S. cerevisiae لتحسين تخمير الزيلوز وإنتاج الوقود الحيوي.Translated Description (French)
La production rentable de biocarburants à partir de lignocellulose nécessite la fermentation du D-xylose. De nombreuses espèces de levures au sein et étroitement apparentées aux genres Spathaspora et Scheffersomyces (tous deux de l'ordre Serinales) assimilent et fermentent nativement le xylose. D'autres espèces consomment du xylose de manière inefficace, entraînant une accumulation extracellulaire de xylitol. On pense que l'excrétion de xylitol est due aux besoins différents en cofacteurs des deux premières étapes du métabolisme du xylose. La xylose réductase (XR) utilise généralement le NADPH pour réduire le xylose en xylitol, tandis que la xylitol déshydrogénase (XDH) utilise généralement le NAD+ pour oxyder le xylitol en xylulose, créant une voie redox déséquilibrée. Ce déséquilibre est considéré comme particulièrement important dans les environnements hypoxiques ou anoxiques. Nous avons examiné la croissance des espèces de levures fermentant le xylose en aération élevée et modérée et identifié à la fois les producteurs d'éthanol et les producteurs de xylitol. Les espèces sélectionnées ont en outre été caractérisées pour leurs préférences en matière de cofacteurs XR et XDH par des tests enzymatiques et des modèles d'expression génique par ARN-Seq. Nos données ont révélé que le métabolisme du xylose est plus équilibré chez certaines espèces, mais qu'il est fortement affecté par les niveaux d'oxygène. Sous forte aération, la plupart des espèces sont passées de la production d'éthanol à l'accumulation de xylitol, malgré la disponibilité de suffisamment d'oxygène pour accepter les électrons du NADH. Ce changement a été suivi d'une diminution de l'activité enzymatique et de l'expression des gènes liés au métabolisme du xylose, ce qui suggère que les goulots d'étranglement dans la fermentation du xylose ne sont pas toujours dus aux préférences des cofacteurs. Enfin, nous avons exprimé des gènes XYL de plusieurs espèces de Scheffersomyces dans une souche de Saccharomyces cerevisiae. S. cerevisiae recombinante exprimant XYL1 de Scheffersomyces xylosifermentans, qui code un XR sans préférence de cofacteur, a montré une croissance anaérobie améliorée sur le xylose comme principale source de carbone par rapport à la souche S. cerevisiae exprimant les gènes XYL de Scheffersomyces stipitis.Collectivement, nos données ne soutiennent pas l'hypothèse selon laquelle l'accumulation de xylitol se produit principalement en raison des différences de préférences de cofacteur entre la xylose réductase et la xylitol déshydrogénase ; au lieu de cela, l'expression des gènes joue un rôle majeur en réponse aux niveaux d'oxygène. Nous avons également identifié la levure Sc. xylosifermentans comme une source potentielle de gènes pouvant être intégrés à S. cerevisiae pour améliorer la fermentation du xylose et la production de biocarburants.Translated Description (Spanish)
La producción rentable de biocombustibles a partir de lignocelulosa requiere la fermentación de D-xilosa. Muchas especies de levadura dentro y estrechamente relacionadas con los géneros Spathaspora y Scheffersomyces (ambos del orden Serinales) asimilan y fermentan xilosa de forma nativa. Otras especies consumen xilosa de manera ineficiente, lo que lleva a la acumulación extracelular de xilitol. Se cree que la excreción de xilitol se debe a los diferentes requisitos de cofactores de los dos primeros pasos del metabolismo de la xilosa. La xilosa reductasa (XR) generalmente usa NADPH para reducir la xilosa a xilitol, mientras que la xilitol deshidrogenasa (XDH) generalmente usa NAD+ para oxidar el xilitol a xilulosa, creando una vía redox desequilibrada. Se cree que este desequilibrio es particularmente importante en entornos hipóxicos o anóxicos. Examinamos el crecimiento de especies de levadura que fermentan xilosa en aireación alta y moderada e identificamos tanto a los productores de etanol como a los productores de xilitol. Las especies seleccionadas se caracterizaron adicionalmente por sus preferencias de cofactores XR y XDH mediante ensayos enzimáticos y patrones de expresión génica mediante RNA-Seq. Nuestros datos revelaron que el metabolismo de la xilosa es más redox equilibrado en algunas especies, pero se ve fuertemente afectado por los niveles de oxígeno. Bajo alta aireación, la mayoría de las especies pasaron de la producción de etanol a la acumulación de xilitol, a pesar de la disponibilidad de suficiente oxígeno para aceptar electrones del NADH. Este cambio fue seguido por disminuciones en la actividad enzimática y la expresión de genes relacionados con el metabolismo de la xilosa, lo que sugiere que los cuellos de botella en la fermentación de la xilosa no siempre se deben a las preferencias de los cofactores. Finalmente, expresamos genes XYL de múltiples especies de Scheffersomyces en una cepa de Saccharomyces cerevisiae. S. cerevisiae recombinante que expresa XYL1 de Scheffersomyces xylosifermentans, que codifica una XR sin una preferencia de cofactor, mostró un crecimiento anaeróbico mejorado en xilosa como fuente primaria de carbono en comparación con la cepa de S. cerevisiae que expresa genes XYL de Scheffersomyces stipitis. Colectivamente, nuestros datos no respaldan la hipótesis de que la acumulación de xilitol se produce principalmente debido a las diferencias en las preferencias de cofactor entre la xilosa reductasa y la xilitol deshidrogenasa; en cambio, la expresión génica juega un papel importante en respuesta a los niveles de oxígeno. También hemos identificado la levadura Sc. xylosifermentans como una fuente potencial de genes que se pueden diseñar en S. cerevisiae para mejorar la fermentación de xilosa y la producción de biocombustibles.Files
s13068-024-02467-8.pdf
Files
(1.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7941adaea35541e5defe17cecdba3091
|
1.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يؤثر الأكسجة على تخمر الزيلوز والتعبير الجيني في أجناس الخميرة Spathaspora و Scheffersomyces
- Translated title (French)
- L'oxygénation influence la fermentation du xylose et l'expression des gènes dans les genres de levure Spathaspora et Scheffersomyces
- Translated title (Spanish)
- La oxigenación influye en la fermentación de xilosa y la expresión génica en los géneros de levadura Spathaspora y Scheffersomyces
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4392733962
- DOI
- 10.1186/s13068-024-02467-8
References
- https://openalex.org/W1850569493
- https://openalex.org/W1867850083
- https://openalex.org/W1970871100
- https://openalex.org/W1977164941
- https://openalex.org/W1983403167
- https://openalex.org/W1987916789
- https://openalex.org/W1992655930
- https://openalex.org/W1993778572
- https://openalex.org/W1996616315
- https://openalex.org/W2001362170
- https://openalex.org/W2005134060
- https://openalex.org/W2011381334
- https://openalex.org/W2013894933
- https://openalex.org/W2044747259
- https://openalex.org/W2052272099
- https://openalex.org/W2055708702
- https://openalex.org/W2081309865
- https://openalex.org/W2090005441
- https://openalex.org/W2095136914
- https://openalex.org/W2098647152
- https://openalex.org/W2113440476
- https://openalex.org/W2114111623
- https://openalex.org/W2117155528
- https://openalex.org/W2130769450
- https://openalex.org/W2134812217
- https://openalex.org/W2138207763
- https://openalex.org/W2155733571
- https://openalex.org/W2158120038
- https://openalex.org/W2161161201
- https://openalex.org/W2163531785
- https://openalex.org/W2164179390
- https://openalex.org/W2179438025
- https://openalex.org/W2181523240
- https://openalex.org/W2277123861
- https://openalex.org/W2301450738
- https://openalex.org/W2411665017
- https://openalex.org/W2485379417
- https://openalex.org/W2548267264
- https://openalex.org/W2575750030
- https://openalex.org/W2754161695
- https://openalex.org/W2754609839
- https://openalex.org/W2788228074
- https://openalex.org/W2803580609
- https://openalex.org/W2805464667
- https://openalex.org/W2883888923
- https://openalex.org/W2889541889
- https://openalex.org/W2899763402
- https://openalex.org/W2918763933
- https://openalex.org/W2944779255
- https://openalex.org/W2945797178
- https://openalex.org/W2951239321
- https://openalex.org/W2963550711
- https://openalex.org/W2964849163
- https://openalex.org/W2977423218
- https://openalex.org/W3005838565
- https://openalex.org/W3011065213
- https://openalex.org/W3011171505
- https://openalex.org/W3011482282
- https://openalex.org/W3012785377
- https://openalex.org/W3017105784
- https://openalex.org/W3023790055
- https://openalex.org/W3037120109
- https://openalex.org/W3088778547
- https://openalex.org/W3099504598
- https://openalex.org/W3103145119
- https://openalex.org/W3134017698
- https://openalex.org/W3134876231
- https://openalex.org/W3202653026
- https://openalex.org/W3213761804
- https://openalex.org/W4246523581
- https://openalex.org/W4294216491
- https://openalex.org/W4297723515
- https://openalex.org/W4313312050
- https://openalex.org/W4316804484
- https://openalex.org/W4375954978
- https://openalex.org/W4378189287