Análise da influência da glicose sobre o metabolismo de xilose em Spathaspora passalidarum

Abstract

A levedura Spathaspora passalidarum converte de maneira eficiente xilose a etanol, se destacando para fermentação de hidrolisados lignocelulósicos. Possui uma cópia adicional do gene que codifica a enzima xilose redutase (XYL 1.2) com preferência pelo cofator NADH, permitindo o estabelecimento do equilíbrio redox durante o metabolismo de xilose. O objetivo deste trabalho foi analisar como a glicose influencia a fermentação de xilose por S. passalidarum. A avaliação do crescimento em meio contendo xilose e 2-DOG revelou que S. passalidarum não possui repressão por glicose no metabolismo de xilose. Foram feitos ensaios fermentativos em batelada com xilose e/ou glicose em aerobiose e hipoxia, para avaliação dos parâmetros cinéticos de fermentação e crescimento. S. passalidarum apresentou maiores rendimentos de biomassa no cultivo em glicose comparado ao cultivo em xilose nas duas condições de oxigênio. O melhor rendimento e produtividade de etanol foram encontrados no cultivo em xilose em aerobiose (Y (P/S) = 0,45 g/g e Qp= 1,51 g/L.h). A mistura de açúcares, glicose e xilose não interfere nos rendimentos ou produtividades de etanol, visto que foram similares aos encontrados durante a fermentação de xilose. O perfil de consumo dos açúcares em cofermentação foi diferente nas duas condições de oxigênio. As análises da expressão dos genes que codificam as enzimas do metabolismo de xilose (XR, XDH e XK) por qRT-PCR revelaram que esses genes são induzidos por xilose e não são reprimidos por glicose. Os dois genes que codificam a enzima xilose redutase (XR) em S. passalidarum apresentaram perfil de expressão diferente em xilose e cofermentação. No cultivo em xilose (aerobiose e hipoxia) e cofermentação em aerobiose, o gene XYL 1.2 foi mais expresso do que o gene XYL 1.1. Entretanto, no cultivo em cofermentação em hipoxia o gene XYL 1.1 foi mais expresso do que o gene XYL 1.2, sugerindo que a expressão destes genes pode ser controlada pelo estado redox da célula. Dessa forma, o consumo simultâneo ou não dos açúcares glicose e xilose em diferentes condições de oxigênio por S. passalidarum, não é uma questão de repressão da glicose na síntese das enzimas do metabolismo de xilose, e sim uma adaptação fisiológica da célula para estabelecer o equilíbrio redox.The yeast Spathaspora passalidarum efficiently converts xylose to ethanol, standing out for fermentation of lignocellulosic hydrolysate. It has an extra copy of the gene that encodes the enzyme xylose reductase (XYL 1.2) which prefers the cofactor NADH, allowing the establishment of a redox balance during xylose metabolism. The aim of this work was to analyze how glucose exerts influence on xylose fermentation by S. passalidarum. The evaluation of growth on medium containing xylose and 2-DOG revealed that S. passalidarum does not show glucose repression on xylose metabolism. Batch fermentative experiments were performed with xylose and/or glucose in aerobic condition and hypoxia, in order to evaluate the kinetic parameters of fermentation and growth. S. passalidarum showed higher biomass yields when cultivated in glucose compared to xylose in both oxygen conditions. The best ethanol yield and productivity was found in growth with xylose in aerobic condition (Y (P/S) = 0,45 g/g e Qp= 1,51 g/L.h). The mix of sugars glucose and xylose did not interfere on ethanol yield and productivity, once these parameters were similar to those found during xylose fermentation. The profile of sugar consumption in co-fermentation was different in the two oxygen conditions tested. The expression levels of the genes that encode the xylose metabolism enzymes (XR, XDH e XK) were analyzed by qTR-PCR and the results revealed that these genes are induced by xylose and are not repressed by glucose. The two genes that encodes the enzyme xylose reductase (XR) in S. passalidarum showed distinct expression profiles in xylose and co-fermentation. When cultivated in xylose (aerobic condition and hypoxia) and aerobic co-fermentation, the gene XYL 1.2 was more expressed than the gene XYL 1.1. However, the gene XYL 1.1 was more expressend than the gene XYL 1.2 when cultivation was performed in hypoxic co-fermentation, which suggests that the expression levels of these two genes might be controlled by the redox state of the cell. Thus, the simultaneous or non-simultaneous consumption of glucose and xylose under different oxygen conditions by S. passalidarum is not about glucose repression on the synthesis of xylose metabolism enzymes, but rather a physiological adaptation of the cell to establish the redox balance.