2- Phenylethanol stress responses in Kluyveromyces marxianus CCT7735

Abstract

2-phenylethanol (2-PE) is a higher aromatic alcohol that has been used as ingredient in both cosmetic and food industries due to its rose-like aroma and colorless aspect. The 2-PE production by chemical synthesis is undesirable due to the use of harmful precursors and formation of unwanted byproducts. Since the 2-PE extraction from plants and flowers is costly, its production by yeasts is of great interest. Yeasts can synthesize 2-PE from L- phenylalanine (L-Phe) through the Ehrlich pathway or by de novo synthesis from sugars through the Shikimate pathway. Recently, K. marxianus CCT 7735 was selected as the best producer of 2-PE among yeasts isolated from Brazilian environments. However, K. marxianus, like other yeasts, has its growth strongly inhibited by 2-PE concentrations superior to 2.0 g/L. Herein, we evaluated in K. marxianus CCT 7735 the damages caused by 2-PE exposure and its adaptative responses. Yeast batch cultures were carried out under nonstress and 2-PE stress conditions. The stress condition was established by adding 3.0 g/L of 2-PE to exponentially growing yeast batch cultures and samples were analyzed during 1, 2, 4, 8 and 12 h of cultivation. Under 2-PE stress, the K. marxianus growth, glucose uptake, fermentative metabolism, membrane permeability and cell viability were impaired. In addition, both morphology and roughness of K. marxianus were altered in response to stress condition. Remarkably, the reactive oxygen species (ROS) increased immediately upon 2-PE exposure. K. marxianus CCT 7735 restarted growth after 4 h of stress, suggesting an adaptation to the 2-PE. The adaptive responses included the increase in ergosterol content, changes in membrane fatty acid composition, exopolymer production and elimination of reactive oxygen species. Therefore, our results provided insights to better understand the 2-PE effects on K. marxianus and its adaptative responses. Keywords: Yeast. Aromatic alcohol. Adaptive responses. Morphology. Membrane composition.O 2-feniletanol (2-FE) é um álcool aromático que tem sido usado como ingrediente nas indústrias de cosméticos e alimentícia devido ao seu aroma semelhante a rosa e aspecto incolor. A produção de 2-FE por síntese química é indesejável devido ao uso de precursores tóxicos e formação de subprodutos indesejados. Como a extração de 2-FE a partir de plantas e flores é onerosa, a produção de 2-FE por leveduras é de grande interesse. Leveduras podem sintetizar 2-FE a partir de L-fenilalanina (L-Phe) por meio da via de Ehrlich ou pela síntese de novo a partir de açúcares através da via do Shikimato. Recentemente, K. marxianus CCT 7735 foi selecionada como a melhor produtora de 2-FE entre leveduras isoladas de ambientes brasileiros. No entanto, K. marxianus, assim como outras leveduras, tem o crescimento fortemente inibido por concentrações de 2-FE superiores a 2,0 g/L. Neste trabalho, nós avaliamos em K. marxianus CCT 7735 os danos causados pela exposição ao 2-FE e suas respostas adaptativas. Os cultivos das leveduras foram realizados em batelada sob condições de estresse e sem estresse. Sob estresse por 2-FE, o crescimento de K. marxianus, consumo de glicose, metabolismo fermentativo, permeabilidade de membrana e viabilidade celular foram prejudicados. A morfologia e a rugosidade de K. marxianus também foram alteradas em resposta à condição de estresse. Além disso, a formação de espécies reativas de oxigênio (ERO) aumentou logo após a exposição ao 2-FE. K. marxianus CCT 7735 reiniciou o crescimento após 4 h de estresse, sugerindo uma adaptação ao estresse. As respostas adaptativas incluíram o aumento no teor de ergosterol, alterações na composição de ácidos graxos de membrana, produção de exopolímero e eliminação de ERO. Portanto, nossos resultados contribuíram para compreender os efeitos do 2-FE em K. marxianus e suas respostas adaptativas. Palavras-chave: Levedura. Álcool aromático. Respostas adaptativas. Morfologia. Composição de membrana.