Xác định trên toàn bộ hệ gen các gen của Saccharomyces cerevisiae cần thiết cho khả năng chịu đựng axit axetic

Microbial Cell Factories - Tập 9 Số 1 - 2010
Nuno P. Mira1, Margarida Palma1, Joana F. Guerreiro1, Isabel Sá‐Correia1
1Institute for Biotechnology and Bioengineering, Centre for Biological and Chemical Engineering, Instituto Superior Técnico, Technical University of Lisbon, 1049-00, Lisboa, Portugal

Tóm tắt

Tóm tắtBối cảnh nghiên cứuAxit axetic là sản phẩm phụ của quá trình lên men cồn củaSaccharomyces cerevisiae. Cùng với nồng độ cao của ethanol và các chất chuyển hóa độc hại khác, axit axetic có thể góp phần gây ngừng quá trình lên men và giảm hiệu suất ethanol. Loại axit yếu này cũng xuất hiện trong hydrolysat lignocellulosic, một chất nền không có nguồn gốc thực phẩm rất thú vị trong công nghệ sinh học công nghiệp. Do đó, việc hiểu rõ hơn về cơ chế phân tử cơ bản liên quan đến khả năng chịu đựng axit axetic củaS. cerevisiaelà cần thiết cho việc lựa chọn hợp lý các điều kiện lên men tối ưu và kỹ thuật tạo các dòng chủng công nghiệp bền vững hơn có thể được sử dụng trong các quy trình mà nấm men được khảo sát dưới dạng nhà máy tế bào.Kết quả đạt đượcNghiên cứu này đã xác định các gen men mang lại khả năng bảo vệ chống lại axit axetic ở quy mô toàn bộ bộ gen, dựa trên việc sàng lọc bộ sưu tập đột biến bào tử của EUROSCARF về kiểu hình nhạy cảm với axit yếu này (nồng độ từ 70-110 mM, với pH 4,5). Khoảng 650 yếu tố quyết định khả năng chịu đựng axit axetic đã được xác định. Phân nhóm các gen đề kháng axit axetic này dựa trên chức năng sinh học của chúng chỉ ra sự gia tăng các gen tham gia vào quá trình phiên mã, duy trì pH nội bào, chuyển hóa carbohydrate, lắp ráp và sinh tổng hợp màng tế bào, ty thể, ribosome và không bào, cũng như trong việc phát hiện, tín hiệu và hấp thu các chất dinh dưỡng khác nhau đặc biệt là sắt, kali, glucose và axit amin. Một tương quan giữa tăng khả năng chịu axit axetic và mức độ kali trong môi trường tăng trưởng đã được tìm thấy. Việc kích hoạt con đường tín hiệu Snf1p, liên quan đến phản ứng của men với sự nhịn ăn glucose, được chứng minh là xảy ra để phản ứng với căng thẳng axit axetic nhưng không có bằng chứng gì ủng hộ sự ức chế hấp thu glucose do axit axetic gây ra.Kết luậnKhoảng 490 trong số 650 yếu tố quyết định khả năng chịu đựng axit axetic được xác định trong công trình này lần đầu tiên được đề xuất tham gia vào khả năng chịu đựng axit yếu này. Đây là những gen mới có tiềm năng cho kỹ thuật di truyền nhằm tạo ra các dòng men mạnh mẽ hơn chống lại độc tố axit axetic. Trong số các gen này có một số yếu tố phiên mã được ghi nhận là các chất điều hòa của một tỷ lệ lớn các gen được xác định để tác động bảo vệ chống lại axit axetic, do đó được coi là các mục tiêu thú vị cho kỹ thuật di truyền tiếp theo. Việc tăng nồng độ kali trong môi trường tăng trưởng được tìm thấy cải thiện biểu hiện khả năng chịu đựng tối đa của axit axetic, phù hợp với ý tưởng rằng sự thao túng phù hợp nồng độ chất dinh dưỡng của môi trường tăng trưởng công nghiệp có thể là một chiến lược thú vị để vượt qua các tác dụng có hại của axit yếu này đối với tế bào men.

Từ khóa

#axit axetic #Saccharomyces cerevisiae #khả năng chịu đựng #kỹ thuật di truyền #EUROSCARF

Tài liệu tham khảo

Gancedo JM, Gancedo C: Catabolite repression mutants of yeast. FEMS Microbiol Rev. 1986, 32: 179-187.

Graves T, Narendranath N, Dawson K, Power R: Effect of pH and lactic or acetic acid on ethanol productivity by Saccharomyces cerevisiae in corn mash. J Ind Microbiol Biotechnol. 2006, 33 (6): 469-474. 10.1007/s10295-006-0091-6.

Rasmussen JE, Schultz E, Snyder RE, Jones RS, Smith CR: Acetic-Acid as a Causative Agent in Producing Stuck Fermentations. Am J Enol Viticult. 1995, 46 (2): 278-280.

Garay-Arroyo A, Covarrubias AA, Clark I, Nino I, Gosset G, Martinez A: Response to different environmental stress conditions of industrial and laboratory Saccharomyces cerevisiae strains. Appl Microbiol Biotechnol. 2004, 63 (6): 734-741. 10.1007/s00253-003-1414-4.

Radler F: Yeasts-Metabolism of organic acids. Wine Microbiology and Biotechnology. 1993, 165-179. Harwood Academic Publishers,

van Maris AJ, Abbott DA, Bellissimi E, van den Brink J, Kuyper M, Luttik MA, Wisselink HW, Scheffers WA, van Dijken JP, Pronk JT: Alcoholic fermentation of carbon sources in biomass hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae: current status. Antonie Van Leeuwenhoek. 2006, 90 (4): 391-418. 10.1007/s10482-006-9085-7.

Palmqvist E, Hahn-Hägerdal B: Fermentation of lignocellulosic hydrolysates. I: inhibition and detoxification. Bioresour Technol. 2000, 74 (1): 17-24. 10.1016/S0960-8524(99)00160-1.

Almeida JR, Modig T, Petersson A, Hähn-Hägerdal B, Lidén G, Gorwa-Grauslund MF: Increased tolerance and conversion of inhibitors in lignocellulosic hydrolysates by Saccharomyces cerevisiae. J Chem Technol Biotechnol. 2007, 82 (4): 340-349. 10.1002/jctb.1676.

Casey E, Sedlak M, Ho NW, Mosier NS: Effect of acetic acid and pH on the cofermentation of glucose and xylose to ethanol by a genetically engineered strain of Saccharomyces cerevisiae. FEMS Yeast Res. 2010, 10 (4): 385-393. 10.1111/j.1567-1364.2010.00623.x.

Stratford M: Food and Beverage Spoilage Yeasts. Yeasts in Food and Beverages. Edited by: Querol A, Fleet G. 2006, 335-379. full_text. Berlin: Springer

Guldfeldt LU, Arneborg N: Measurement of the effects of acetic acid and extracellular pH on intracellular pH of nonfermenting, individual Saccharomyces cerevisiae cells by fluorescence microscopy. Appl Environ Microbiol. 1998, 64 (2): 530-534.

Pampulha ME, Loureiro-Dias MC: Activity of glycolytic enzymes of Saccharomyces cerevisiae in the presence of acetic acid. Appl Microbiol Biotechnol. 1990, 34 (3): 375-380. 10.1007/BF00170063.

Pampulha ME, Loureiro-Dias MC: Energetics of the effect of acetic acid on growth of Saccharomyces cerevisiae. FEMS Microbiol Lett. 2000, 184 (1): 69-72. 10.1111/j.1574-6968.2000.tb08992.x.

Mira NP, Teixeira MC, Sá-Correia I: Adaptation and tolerance to weak acid stress in Saccharomyces cerevisiae: a genome-wide view. OMICS: A Journal of Integrative Biology. 2010, 14 (5): 525-540. 10.1089/omi.2010.0072.

Kotyk A, Georghiou G: Protonmotive force in yeasts-pH, buffer and species dependence. Biochem Int. 1991, 24 (4): 641-647.

Carmelo V, Santos H, Sá-Correia I: Effect of extracellular acidification on the activity of plasma membrane ATPase and on the cytosolic and vacuolar pH of Saccharomyces cerevisiae. Biochim Biophys Acta. 1997, 1325: 63-70. 10.1016/S0005-2736(96)00245-3.

Tenreiro S, Nunes PA, Viegas CA, Neves MS, Teixeira MC, Cabral MG, Sá-Correia I: AQR1 gene (ORF YNL065w) encodes a plasma membrane transporter of the major facilitator superfamily that confers resistance to short-chain monocarboxylic acids and quinidine in Saccharomyces cerevisiae. Biochem Biophys Res Commun. 2002, 292 (3): 741-748. 10.1006/bbrc.2002.6703.

Tenreiro S, Rosa PC, Viegas CA, Sá-Correia I: Expression of the AZR1 gene (ORF YGR224w), encoding a plasma membrane transporter of the major facilitator superfamily, is required for adaptation to acetic acid and resistance to azoles in Saccharomyces cerevisiae. Yeast. 2000, 16 (16): 1469-1481. 10.1002/1097-0061(200012)16:16<1469::AID-YEA640>3.0.CO;2-A.

Fernandes AR, Mira NP, Vargas RC, Canelhas I, Sá-Correia I: Saccharomyces cerevisiae adaptation to weak acids involves the transcription factor Haa1p and Haa1p-regulated genes. Biochem Biophys Res Commun. 2005, 337 (1): 95-103. 10.1016/j.bbrc.2005.09.010.

Mira NP, Becker J, Sá-Correia I: Genomic expression program involving the Haa1p-regulon in Saccharomyces cerevisiae response to acetic acid. OMICS: A Journal of Integrative Biology. 2010, 14 (5): 587-601. 10.1089/omi.2010.0048.

Alejandro-Osorio AL, Huebert DJ, Porcaro DT, Sonntag ME, Nillasithanukroh S, Will JL, Gasch AP: The histone deacetylase Rpd3p is required for transient changes in genomic expression in response to stress. Genome Biol. 2009, 10 (5): R57- 10.1186/gb-2009-10-5-r57.

Goossens A, de la Fuente N, Forment J, Serrano R, Portillo F: Regulation of Yeast H+-ATPase by Protein Kinases Belonging to a Family Dedicated to Activation of Plasma Membrane Transporters. Mol Cell Biol. 2000, 20 (20): 7654-7661. 10.1128/MCB.20.20.7654-7661.2000.

Kawahata M, Masaki K, Fujii T, Iefujii H: Yeast genes involved in response to lactic acid and acetic acid: acidic conditions caused by the organic acids in Saccharomyces cerevisiae cultures induce expression of intracellular metal metabolism genes regulated by Aft1p. FEMS Yeast Res. 2006, 6: 924-936. 10.1111/j.1567-1364.2006.00089.x.

Herman PK: Stationary phase in yeast. Curr Opin Microbiol. 2002, 5 (6): 602-607. 10.1016/S1369-5274(02)00377-6.

Hillenmeyer ME, Fung E, Wildenhain J, Pierce SE, Hoon S, Lee W, Proctor M, St Onge RP, Tyers M, Koller D, et al.: The Chemical Genomic Portrait of Yeast: Uncovering a Phenotype for All Genes. Science. 2008, 320 (5874): 362-365. 10.1126/science.1150021.

Mroczek S, Kufel J: Apoptotic signals induce specific degradation of ribosomal RNA in yeast. Nucleic Acids Res. 2008, 36 (9): 2874-2888. 10.1093/nar/gkm1100.

Viegas CA, Almeida PF, Cavaco M, Sá-Correia I: The H(+)-ATPase in the plasma membrane of Saccharomyces cerevisiae is activated during growth latency in octanoic acid-supplemented medium accompanying the decrease in intracellular pH and cell viability. Appl Environ Microbiol. 1998, 64 (2): 779-783.

Fernandes AR, Durao PJ, Santos PM, Sá-Correia I: Activation and significance of vacuolar H+-ATPase in Saccharomyces cerevisiae adaptation and resistance to the herbicide 2, 4-dichlorophenoxyacetic acid. Biochem Biophys Res Commun. 2003, 312 (4): 1317-1324. 10.1016/j.bbrc.2003.11.072.

Makrantoni V, Dennison P, Stark MJ, Coote PJ: A novel role for the yeast protein kinase Dbf2p in vacuolar H+-ATPase function and sorbic acid stress tolerance. Microbiology. 2007, 153 (Pt 12): 4016-4026. 10.1099/mic.0.2007/010298-0.

Mulet JM, Leube MP, Kron SJ, Rios G, Fink GR, Serrano R: A novel mechanism of ion homeostasis and salt tolerance in yeast: the Hal4 and Hal5 protein kinases modulate the Trk1-Trk2 potassium transporter. Mol Cell Biol. 1999, 19 (5): 3328-3337.

Munson AM, Haydon DH, Love SL, Fell GL, Palanivel VR, Rosenwald AG: Yeast ARL1 encodes a regulator of K+ influx. J Cell Sci. 2004, 117 (Pt 11): 2309-2320. 10.1242/jcs.01050.

Teixeira MC, Monteiro P, Jain P, Tenreiro S, Fernandes AR, Mira NP, Alenquer M, Oliveira A, Freitas AT, Sá-Correia I: The YEASTRACT database: a tool for the analysis of transcriptional regulatory associations in Saccharomyces cerevisiae. Nucleic Acids Res. 2006, 34: D446-D451. 10.1093/nar/gkj013.

Almeida B, Ohlmeier S, Almeida AJ, Madeo F, Leão C, Rodrigues F, Ludovico P: Yeast protein expression profile during acetic acid-induced apoptosis indicates causal involvement of the TOR pathway. PROTEOMICS. 2009, 9 (3): 720-732. 10.1002/pmic.200700816.

Hong SP, Carlson M: Regulation of Snf1 protein kinase in response to environmental stress. J Biol Chem. 2007, 282 (23): 16838-16845. 10.1074/jbc.M700146200.

Santangelo GM: Glucose Signaling in Saccharomyces cerevisiae. Microbiol Mol Biol Rev. 2006, 70 (1): 253-282. 10.1128/MMBR.70.1.253-282.2006.

Giannattasio S, Guaragnella N, Corte-Real M, Passarella S, Marra E: Acid stress adaptation protects Saccharomyces cerevisiae from acetic acid-induced programmed cell death. Gene. 2005, 354: 93-98. 10.1016/j.gene.2005.03.030.

Guaragnella N, Antonacci L, Passarella S, Marra E, Giannattasio S: Hydrogen peroxide and superoxide anion production during acetic acid-induced yeast programmed cell death. Folia Microbiol. 2007, 52 (3): 237-240. 10.1007/BF02931304.

Porter NA, Caldwell SE, Mills KA: Mechanisms of free radical oxidation of unsaturated lipids. Lipids. 1995, 30 (4): 277-290. 10.1007/BF02536034.

van der Rest ME, Kamminga AH, Nakano A, Anraku Y, Poolman B, Konings WN: The plasma membrane of Saccharomyces cerevisiae: structure, function, and biogenesis. Microbiol Rev. 1995, 59 (2): 304-322.

Dickson RC: Thematic review series: sphingolipids. New insights into sphingolipid metabolism and function in budding yeast. J Lipid Res. 2008, 49 (5): 909-921. 10.1194/jlr.R800003-JLR200.

Wilson WA, Hawley SA, Hardie DG: Glucose repression/derepression in budding yeast: SNF1 protein kinase is activated by phosphorylation under derepressing conditions, and this correlates with a high AMP:ATP ratio. Curr Biol. 1996, 6 (11): 1426-1434. 10.1016/S0960-9822(96)00747-6.

Mollapour M, Shepherd A, Piper PW: Presence of the Fps1p aquaglyceroporin channel is essential for Hog1p activation, but suppresses the Slt2(Mpk1)p activation, with acetic acid stress of yeast. Microbiology. 2009, 155: 3304-3311. 10.1099/mic.0.030502-0.

Simões T, Mira NP, Fernandes AR, Sá-Correia I: The SPI1 gene, encoding a glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored cell wall protein, plays a prominent role in the development of yeast resistance to lipophilic weak acids food preservatives. Appl Environ Microb. 2006, 72: 7168-7175. 10.1128/AEM.01476-06.

Mollapour M, Fong D, Balakrishnan K, Harris N, Thompson S, Schuller C, Kuchler K, Piper PW: Screening the yeast deletant mutant collection for hypersensitivity and hyper-resistance to sorbate, a weak organic acid food preservative. Yeast. 2004, 21 (11): 927-946. 10.1002/yea.1141.

Mira NP, Lourenco AB, Fernandes AR, Becker JD, Sá-Correia I: The RIM101 pathway has a role in Saccharomyces cerevisiae adaptive response and resistance to propionic acid and other weak acids. FEMS Yeast Res. 2009, 9 (2): 202-216. 10.1111/j.1567-1364.2008.00473.x.

Perez-Valle J, Jenkins H, Merchan S, Montiel V, Ramos J, Sharma S, Serrano R, Yenush L: Key role for intracellular K+ and protein kinases Sat4/Hal4 and Hal5 in the plasma membrane stabilization of yeast nutrient transporters. Mol Cell Biol. 2007, 27 (16): 5725-5736. 10.1128/MCB.01375-06.

Aiking H, Tempest DW: Growth and physiology of Candida utilis NCYC 321 in potassium-limited chemostat culture. Arch Microbiol. 1976, 108 (1): 117-124. 10.1007/BF00425101.

Rodriguez-Navarro A: Potassium transport in fungi and plants. Biochim Biophys Acta. 2000, 1469 (1): 1-30.

Serrano R: Transport across yeast vacuolar and plasma membranes. The molecular and cellular biology of the yeast Saccharomyces: genome dynamics, protein synthesis, and energetics. Edited by: Broach JR, Jones EW, Pringle JR. 1991, 523-585. NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press

Yenush L, Mulet JM, Arino J, Serrano R: The Ppz protein phosphatases are key regulators of K+ and pH homeostasis: implications for salt tolerance, cell wall integrity and cell cycle progression. EMBO J. 2002, 21 (5): 920-929. 10.1093/emboj/21.5.920.

Macpherson N, Shabala L, Rooney H, Jarman MG, Davies JM: Plasma membrane H+ and K+ transporters are involved in the weak-acid preservative response of disparate food spoilage yeasts. Microbiology. 2005, 151: 1995-2003. 10.1099/mic.0.27502-0.

Rodriguez-Navarro A, Ramos J: Dual system for potassium transport in Saccharomyces cerevisiae. J Bacteriol. 1984, 159 (3): 940-945.

Kosman DJ: Molecular mechanisms of iron uptake in fungi. Mol Microbiol. 2003, 47 (5): 1185-1197. 10.1046/j.1365-2958.2003.03368.x.

Chen OS, Crisp RJ, Valachovic M, Bard M, Winge DR, Kaplan J: Transcription of the yeast iron regulon does not respond directly to iron but rather to iron-sulfur cluster biosynthesis. J Biol Chem. 2004, 279 (28): 29513-29518. 10.1074/jbc.M403209200.

Rutherford JC, Ojeda L, Balk J, Muhlenhoff U, Lill R, Winge DR: Activation of the iron regulon by the yeast Aft1/Aft2 transcription factors depends on mitochondrial but not cytosolic iron-sulfur protein biogenesis. J Biol Chem. 2005, 280 (11): 10135-10140. 10.1074/jbc.M413731200.

Alper H, Moxley J, Nevoigt E, Fink GR, Stephanopoulos G: Engineering yeast transcription machinery for improved ethanol tolerance and production. Science. 2006, 314 (5805): 1565-1568. 10.1126/science.1131969.

Cardona F, Carrasco P, Perez-Ortin JE, del Olmo M, Aranda A: A novel approach for the improvement of stress resistance in wine yeasts. Int J Food Microbiol. 2007, 114 (1): 83-91. 10.1016/j.ijfoodmicro.2006.10.043.

Camacho M, Ramos J, Rodríguez-Navarro A: Potassium Requirements of Saccharomyces cerevisiae. Curr Microbiol. 1981, 6: 295-299. 10.1007/BF01566880.

Eide DJ, Clark S, Nair TM, Gehl M, Gribskov M, Guerinot ML, Harper JF: Characterization of the yeast ionome: a genome-wide analysis of nutrient mineral and trace element homeostasis in Saccharomyces cerevisiae. Genome Biol. 2005, 6 (9): R77- 10.1186/gb-2005-6-9-r77.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Microbial Cell Factories

Tập 9 Số 1

Thông tin tác giả