Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/65667
Type: Tese
Title: Potencial biotecnológico de leveduras fermentadoras de D-xilose isoladas de regiões de Floresta Amazônica Brasileira
Authors: Raquel Miranda Cadete
First Advisor: Carlos Augusto Rosa
Abstract: A atual busca pela produção de combustíveis sustentáveis tem sido conduzida por propósitos ambientais, econômicos, políticos, geográficos e sociais. Neste cenário, o etanol de segunda geração (2G) é considerado o principal combustível renovável, e a conversão eficiente dos açúcares advindos de materiais lignocelulósicos em etanol tornou-se uma prioridade mundial para a produção ambientalmente favorável dessa fonte de energia a custos viáveis. Os objetivos deste trabalho foram isolar, identificar e caracterizar leveduras capazes de fermentar D-xilose, segundo monossacarídeo mais abundante da biomassa vegetal, tendo em vista o emprego desses micro-organismos em processos fermentativos de obtenção do etanol 2G. Duzentas e vinte e quatro leveduras foram isoladas a partir de 40 amostras de madeira em decomposição coletadas em áreas de Floresta Amazônica Brasileira. Trinta e três espécies, 26 das quais já descritas pela literatura e sete novas espécies foram identificadas. Dentre as novas espécies, cinco são atribuídas aos dois principais clados detentores de leveduras fermentadoras de D-xilose: clado Scheffersomyces, representado pela espécie Sc. amazonensis, e clado Spathaspora, representado pelas espécies Sp. brasiliensis, Sp. roraimanensis, Sp. suhii e Sp. xylofermentans. Além dessas novas espécies, seis linhagens de Sp. passalidarum também foram encontradas. A partir de ensaios de fermentação de D-xilose conduzidos em meio complexo e hidrolisado de bagaço de cana-de-açúcar, e da determinação das atividades enzimáticas e utilização de co-fatores das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH), foi possível a caracterização das leveduras estudadas de acordo com o principal metabólito obtido, etanol ou xilitol. As espécies produtoras de xilitol (Sc. amazonensis, Sp. brasiliensis, Sp. roraimanensis, Sp. suhii e Sp. xylofermentans) apresentaram atividades de XR estritamente dependentes de NADPH. Spathaspora arborariae e Sp. passalidarum, espécies produtoras de etanol, exibiram XR dependente de NAD(P)H, e adicionalmente, em Sp. passalidarum, esta enzima exibiu preferência por NADH. A identificação dos genes codificadores de XR (XYL1) nas espécies de Spathaspora analisadas resultou na constatação de que Sp. passalidarum é a única que alberga dois genes, XYL1.1 e XYL1.2, dotados de tal função. Nas demais espécies, somente um gene, XYL1, foi encontrado, responsável pela codificação de uma XR (XYL1p) que exibe maior homologia à XR codificada por XYL1.1 (XYL1.1p) que XYL1.2 (XYL1.2p). XYL1.2p dispõe de uma atividade enzimática com preferência por NADH, comportamento este capaz de manter o balanço de cofatores nas etapas iniciais do metabolismo de D-xilose, conferindo à Sp. passalidarum uma notável capacidade de produzir etanol durante este processo. Esta enzima apresenta exclusivamente na posição 271 da região promovedora da ligação ao co-fator um resíduo de ácido aspártico em substituição ao resíduo de asparagina, este último encontrado na posição correpondente na maioria das demais sequencias de XR identificadas. Esse atributo está diretamente relacionado à v preferência por NADH mostrada por XYL1.2p. A expressão heteróloga dos genes XYL1.1 e XYL1.2 da linhagem tipo e de uma linhagem brasileira de Sp. passalidarum permitiu a averiguação do comportamento de cada gene no metabolismo de D-xilose em S. cerevisiae. O transformante gerado com o gene XYL1.2 da linhagem brasileira exibiu uma rápida e elevada conversão de Dxilose a etanol em anaerobiose juntamente com uma baixa produção de xilitol. Os resultados deste trabalho contribuem para a demonstração do potencial de estudos de novas espécies e linhagens de leveduras fermentadoras de D-xilose isoladas de biomas brasileiros no que diz respeito à evolução, taxonomia e aplicações biotecnológicas desses micro-organismos. A construção de uma linhagem de S. cerevisiae a partir de um gene inédito e capaz de fermentar D-xilose em anaerobiose com elevado rendimento e produtividade em etanol destaca-se como uma importante ferramenta no aprimoramento da obtenção do etanol de segunda geração via fermentação eficiente de D-xilose.
Abstract: Environmental, economical, political, geographical and social purposes have recently driven the search for the production of sustainable fuels. In this scenario, second generation (2G) ethanol is considered the main renewable fuel, and an efficient conversion of sugars from lignocellulosic materials into ethanol has become a world priority for an environmentally friendly production of this energy source, at feasible costs. The aims of this study were to isolate, identify and characterize yeasts able to ferment D-xylose, the second main monosaccharide in plant biomass, regarding to the employment of these microorganisms in the production of 2G ethanol. A total of 224 yeast strains were isolated from 40 rotting wood samples collected in areas of Brazilian Amazonian Forest. Of the 33 species identified, 26 were previously known and seven were new. Within these new species, five were ascribed to the main xylose-fermenting clades, Scheffersomyces clade, represented by Sc. amazonensis; and Spathaspora clade, represented by Sp. brasiliensis, Sp. roraimanensis, Sp. suhii e Sp. xylofermentans. Besides these new species, six strains of Sp. passalidarum were also found. From D-xylose fermentation assays performed with complex medium and sugarcane bagasse hydrolysate, and the determination of enzymatic activities and co-factors usage of xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH), it was possible to characterize the studied yeasts according to achievement of ethanol or xylitol as main metabolic product. Xylitol- producing species (Sc. amazonensis, Sp. brasiliensis, Sp. roraimanensis, Sp. suhii and Sp. xylofermentans) showed XR activities absolutely dependent of NADPH. Spathaspora arborariae and Sp. passalidarum, ethanol-producing species, presented XR activity using both NADH and NADPH as cofactors, and in Sp. passalidarum this is accomplished by a XR with preference for NADH. The identification of XR encoding genes (XYL1) in the evaluated Spathaspora species revealed that Sp. passalidarum is the sole harboring two XYL1 genes, XYL1.1 and XYL1.2. In the remaining species, a unique gene, XYL1, was found, encoding a XR (XYL1.p) showing a higher homology to the XR encoded by XYL1.1 (XYL1.1p) than by XYL1.2 (XYL1.2p). XYL1.2p is a NADH-preferred XR, feature able to sustain a co-factor balance in the first steps of the D-xylose metabolism, giving the yeast a remarkably ability to produce ethanol during this process. This enzyme exclusively has an aspartic acid residue in the position 271 of the co-factor binding site instead of an asparagin residue, the latter found in the corresponding position in the majority of the remaining analyzed XRs. This feature is directly related to the preference for NADH showed by XYL1.2p. Heterologous expression of XYL1.1 and XYL1.2 from Sp. passalidarum type strain and a Brazilian strain allowed the investigation of each gene behavior during the metabolism of D-xylose in S. cerevisiae. The transformant generated with XYL1.2 from the Brazilian strain displayed a fast and high conversion of D-xylose to ethanol under anaerobic conditions together with a low production of xylitol. The results of this work contributes to demonstrate the potential of studying new D-xylose-fermenting yeast species and strains isolated in Brazilian biomes with regard to evolutionary, taxonomic and biotechnological applications of these micro-organisms. The construction of a S. cerevisiae strain with an unprecedented gene and capable of fermenting D-xylose under anaerobic conditions, displaying high ethanol yield and productivity, stands as a relevant contribution in the improvement of second generation ethanol production through efficient D-xylose fermentation.
Subject: Microbiologia
Biotecnologia
Leveduras
Xilose
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Microbiologia
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/65667
Issue Date: 12-Jul-2013
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