Onderzoek naar osmotolerante gisten voor very-high-gravity bioethanolproductie

Osmotolerantie in de gist Saccharomyces cerevisiae is voor verschillende industriële toepassingen een essentiële eigenschap, waaronder high-gravity brouwen en high-gravity industriële bioethanolproductie, die typisch gebruik maken van hoge suikerconcentraties. Commerciële toepassing van very high-gravity (VHG) fermentatietechnologie voor de productie van bioethanol heeft een immens potentieel om de bioethanolopbrengst te verhogen, alsook het energieverbruik voor het distilleren en de hoeveelheid residu te verminderen. Het ontbreekt echter vandaag de dag nog aan een robuuste giststam die onder high-gravity omstandigheden de fermentatie efficiënt kan uitvoeren. De algemene doelstelling van deze doctorale studie bestond erin dit knelpunt te remediëren door drie verschillende pistes te bewandelen. Eerst werd de natuurlijke biodiversiteit van Saccharomyces soorten verkend om één of meerdere robuuste stammen te identificeren die mogelijk kunnen gebruikt worden als startercultuur in bioethanolfermentaties. Dit resulteerde in de identificatie van een aantal giststammen die het goed deden in fermentatie-experimenten waarin de industriële productie-omstandigheden werden nagebootst. Verschillende isolaten werden geïdentificeerd die extreem tolerant waren aan bepaalde omgevingsstressfactoren en die kunnen fungeren als kandidaten voor omgekeerde metabolische engineering of het verbeteren van bepaalde stammen, bv. door genetische engineering, experimentele evolutie of kruisingen. In een tweede benadering werd de S. cerevisiae stam waarvoor de beste resultaten werden verkregen in VHG fermentatie (X6003) onderworpen aan een polygenische analyse om de causale genetische elementen die verantwoordelijk zijn voor superieure osmotolerantie te kunnen identificeren. Hiervoor werd gebruik gemaakt van pooled-segregant whole-genome sequentie analyse, een recent ontwikkelde techniek voor efficiënte polygenische analyse van complexe eigenschappen. Hierbij werd een haploïde segregant van de meest osmotolerante giststam (X6003-4D) gekruist met een haploïde segregant van een onverwante industriële stam met een inferieur fenotype (Ethanol Red). Vervolgens werd de resulterende diploïde hybride stam X6003-4D/ER-42A gesporuleerd en werden 32 segreganten met een superieur fenotype geselecteerd om de superieure pool te vormen, en 32 willekeurige segreganten die als de niet-geselecteerde pool fungeerden. Vervolgens werd het genomisch DNA van beide pools geëxtraheerd, en onderworpen aan whole-genomesequence analyse.. Op deze manier werden 10 quantitative trait loci (QTLs) geïdentificeerd, wat de hoge genetische complexiteit van osmotolerantie in S. cerevisiae aantoont. Dissectie van QTL2, QTL3 en QTL7 leverde drie causale genen op, nl. RBK1, GPD1 en DUS1. Verdere analyse is nodig om de overige causale allelen in de andere QTLs te identificeren. In een derde benadering, tenslotte, werd de biodiversiteit van niet-conventionele gisten gescreend om stresstolerante niet-Saccharomyces stammen op te sporen. S. cerevisiae wordt immers de dag van vandaag nog steeds als suboptimaal beschouwd voor de productie van tweede generatie bioethanol. Deze studie leverde een aantal veelbelovend gisten op die S. cerevisiae mogelijk kunnen vervangen of complementeren in tweede generatie bioethanol fermentaties, waaronder Pichia kudriavzevii. Dit werk resulteerde ook in een gegevensbank met fenotypische data die nieuwe inzichten kan opleveren in niet-conventionele gisten en die de basis kan zijn voor vervolgstudies om de moleculaire mechanismen achter de extreme fenotypes van sommige van deze gisten beter te begrijpen.

Samengevat heeft deze studie nieuwe inzichten opgeleverd m.b.t. de fenotypische diversiteit van verschillende gistsoorten alsook van verschillende stammen binnen eenzelfde soort. Verder resulteerde de uitgevoerde studie in een beter inzicht in de tolerantielimieten van verschillende gisten voor eigenschappen die belangrijk zijn voor de productie van bioethanol. Tenslotte verruimde de polygenische analyse onze huidige kennis over genetische elementen van S. cerevisiae die bijdragen tot een superieure fermentatie onder VHG omstandigheden.