Análise da assimilação de glicose e xilose em Papiliotrema laurentii UFV-1

Abstract

A assimilação dos açúcares constituintes de biomassas lignocelulósicas é essencial para a produção de óleo por leveduras oleaginosas em biorrefinarias. Este óleo pode ser utilizado como matéria-prima para a produção de biocombustíveis derivados de ácidos graxos, contribuindo para atender à crescente demanda por biocombustíveis. P. laurentii UFV-1 é uma levedura oleaginosa capaz de converter glicose e xilose, os principais açúcares constituintes de biomassas lignocelulósicas, em óleo. O consumo simultâneo desses açúcares é primordial para se alcançar uma alta produtividade volumétrica de lipídios em biorrefinarias. Portanto, este estudo objetivou: i) analisar o perfil de consumo de glicose e xilose em P. laurentii UFV-1, e ii) selecionar linhagens mutantes capazes de assimilar glicose e xilose simultaneamente. O cultivo da levedura em meio mínimo Yeast Nitrogen Base (YNB) contendo diferentes concentrações de glicose e xilose permitiu estimar os parâmetros cinéticos do modelo de Monod. Os valores da constante de saturação (Ks) foram similares para as duas fontes de carbono e energia. Apesar de apresentar afinidades similares por glicose e xilose, P. laurentii UFV-1 consome glicose preferencialmente quando cultivada na presença dos dois açúcares. Esta linhagem foi submetida à mutagênese por irradiação ultravioleta, e linhagens mutantes foram selecionadas em meio de cultura contendo 2-deoxiglicose (2DG), análogo da glicose que induz a repressão catabólica, mas não é metabolizado. Dentre as vinte e quatro linhagens mutantes selecionadas, a linhagem M17 destacou-se por ter atingido uma maior densidade populacional no cultivo contendo 4 mM de 2DG. Surpreendentemente, as linhagens M17 e selvagem apresentaram o mesmo perfil de consumo de glicose e xilose. Isto indica a sua susceptibilidade à repressão por glicose. Todavia, o consumo simultâneo de xilose e 2DG mostra que a linhagem mutante é insensível à repressão catabólica induzida por 2DG. Este resultado sugere que as alterações genéticas que ocorreram na linhagem mutante foram específicas para aliviar a repressão catabólica causada somente por 2DG. O mutante M17 apresentou perfis de produção de lipídios e de crescimento nas temperaturas de 30 °C e 37 °C similares aos da linhagem selvagem de P. laurentii. Em relação à linhagem selvagem, observou- se que nas primeiras 24 horas de cultivo, o consumo de xilose foi reprimido na presença de 2DG. Após este período, ocorreu a secreção de 2DG, a qual foi acompanhada pelo consumo de xilose, indicando que a levedura apresenta um mecanismo tardio para contornar o efeito de repressão catabólica causado pelo análogo da glicose. Palavras-chave: Leveduras oleaginosas. Biorrefinarias. Repressão catabólica. 2-deoxiglicose. Metabolismo.

The assimilation of the constituent sugars of lignocellulosic biomasses is pivotal for the production of oil by oleaginous yeasts in biorefineries. This oil can be used as a raw material for the production of fatty acid-derived biofuels, contributing to meet the rising demand for biofuels. P. laurentii UFV-1 is an oleaginous yeast capable of converting glucose and xylose, the main constituent sugars of lignocellulosic biomass, into lipids. The simultaneous consumption of these sugars is essential to achieve a high volumetric productivity of lipids in biorefineries. Therefore, this study aimed to: i) analyze the glucose and xylose consumption profile in P. laurentii UFV-1, and ii) select mutant strains capable of assimilating glucose and xylose simultaneously. Yeast cultivation in minimal medium Yeast Nitrogen Base (YNB) containing different concentrations of xylose and glucose allowed to estimate the kinetic parameters of the Monod model. The values of the saturation constant (Ks) were similar for the two sources of carbon and energy. Even though P. laurentii UFV-1 displays similar affinities for glucose and xylose, glucose is preferentially consumed when it is cultivated in the presence of both sugars. This strain was subjected to mutagenesis by ultraviolet irradiation, and mutant strains were selected in a culture medium containing 2-deoxyglucose (2DG), a glucose analogue that induces catabolic repression but is not metabolized. Among the 24 mutant strains selected, the M17 strain stood out due to its capacity to achieve a higher cell density in cultivation containing 4 mM of 2DG. Surprisingly, both M17 and wild-type strains presented the same profile of xylose and glucose consumption. This indicates its susceptibility to glucose repression. However, the simultaneous consumption of xylose and 2DG shows that the mutant strain is insensitive to the catabolic repression induced by 2DG. This result suggests that the genetic alterations that occurred in the mutant strain were specific to alleviate the catabolic repression caused only by 2DG. Both M17 and wild-type strains presented similar profiles of lipid production and growth at temperatures of 30 °C and 37 °C. Regarding the wild strain, it was observed that in the first 24 hours of cultivation, the consumption of xylose was repressed in the presence of 2DG. After this period, the secretion of 2DG occurred along with the consumption of xylose, indicating that the yeast has a late mechanism to circumvent the catabolic repression effect caused by the glucose analogue. Keywords: Oleaginous yeasts. Biorefineries. Catabolic repression. 2-deoxyglucose. Metabolism.