Assessment of metabolic regulation and stress response in oleaginous yeasts by systems biology approaches

• Autor(a) principal: Almeida, Eduardo Luís Menezes de
• Data de Publicação: 2024
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: LOCUS Repositório Institucional da UFV
• Texto Completo: https://locus.ufv.br//handle/123456789/32091; https://doi.org/10.47328/ufvbbt.2024.019
• topic: Leveduras; Metabolismo - Regulação; Perfilação da expressão gênica; Microbiologia Agrícola

As atuais crises ambientais promovidas pelo uso extensivo de petróleo têm realçado a necessidade de cadeias produtivas sustentáveis. Lipídios e ácidos graxos produzidos a partir de hidrolisados lignocelulósicos por leveduras oleaginosas são fontes promissoras de oleoquímicos. Portanto, a seleção e construção de linhagens robustas de leveduras capazes de crescer e produzir lipídios em hidrolisados lignocelulósicos é essencial para ampliar sua aplicação e viabilidade. Lipomyces starkeyi é uma levedura oleaginosa que cresce e produz lipídios a partir de diversas fontes de carbono. O seu crescimento e produção de lipídios já foram demonstrados em biomassas lignocelulósicas. Papiliotrema laurentii também pode assimilar açúcares derivados de subprodutos agrícolas, como a glucose e a xilose de biomassas lignocelulósicas, e convertê-los em elevadas concentrações de lipídios. No entanto, linhagens selvagens de P. laurentii são sensíveis ao ácido acético, um dos principais inibidores presentes em hidrolisados lignocelulósicos. A compreensão das respostas adaptativas e da fisiologia dessas leveduras pode ser facilitada por abordagens holísticas, incluindo redes biológicas e ômicas. Portanto, a nossa hipótese é que o emprego de abordagens de biologia de sistemas, incluindo modelos metabólicos em escala genômica (MMEG) e transcriptômica, bem como a sua integração, pode auxiliar na compreensão do metabolismo e das respostas ao estresse de leveduras oleaginosas e determinação de alvos para a engenharia metabólica. Neste trabalho, propomos o primeiro MMEG de L. starkeyi, lista-GEM. Reconstruímos o lista-GEM usando dois modelos de leveduras oleaginosas de alta qualidade como templates e conduzimos a curadoria manual para refletir o metabolismo de L. starkeyi. Os fenótipos simulados e as distribuições de fluxo previstas apresentaram boa conformidade com os dados experimentais. Em seguida, prevemos alvos para melhorar a produção de lípidos em glicose, xilose e glicerol. As enzimas relacionadas com a síntese de lípidos no retículo endoplasmático, como estearoil- CoA dessaturase, acil-CoA sintase, diacilglicerol aciltransferase e glicerol-3-fosfato aciltransferase, foram os principais alvos para melhorar a produção de lípidos. Genes glicolíticos também foram previstos como alvos de superexpressão. Piruvato descarboxilase,acetaldeído desidrogenase, acetil-CoA sintetase, adenilato quinase, difosfatase inorgânica e triose-fosfato isomerase foram previstas apenas quando o glicerol era a fonte de carbono. Dessa forma, o lista-GEM fornece múltiplos alvos de engenharia metabólica para melhorar a produção de lípidos por L. starkeyi a partir de resíduos agrícolas e industriais. Em seguida, combinamos o transcriptoma e a modelação metabólica em escala genômica para aprofundar o nosso conhecimento sobre os alvos do estresse por ácido acético, bem como sobre as respostas adaptativas de P. laurentii. O ácido acético promoveu alterações globais de expressão e a maioria dos genes reprimidos estava relacionada com processos transcricionais e translacionais. Sob estresse, a linhagem sensível induziu mecanismos de reparo do DNA e meiose, enquanto a linhagem tolerante regulou negativamente a autofagia e o ciclo celular. A linhagem tolerante induziu também processos responsáveis pelo aumento do pH intracelular (ex. arginase, metabolismo da ornitina, ciclo da ureia), detoxificação (ex. metabolismo da glutationa) e efluxo de prótons. A linhagem tolerante também apresentou uma reserva notável de NAD(P)H na análise de modelagem metabólica, o que suportaria o poder redutor exigido pelos mecanismos de tolerância. Por outro lado, a estirpe sensível induziu genes relacionados com a biogênese da parede celular e a síntese de cobalamina. Em geral, os genes e vias aqui descritos como relacionados com a tolerância podem ser úteis em futuras estratégias de engenharia metabólica para melhorar a tolerância de P. laurentii a ácidos fracos, impulsionando a sua aplicação em biorrefinarias baseadas em lignocelulose. Palavras-chave: Modelagem metabólica; Transcriptômica; Não-Saccharomyces.