Genetic improvement of industrial Saccharomyces cerevisiae: consolidated bioprocessing and value-added products for an advanced lignocellulosic biorefinery

Abstract

Nos últimos anos a produção biotecnológica de biocombustíveis e outros químicos a partir de biomassa renovável apareceu como uma alternativa para a economia baseada em petróleo. No entanto, a implementação de biorrefinarias sustentáveis e economicamente viáveis está dependente de acoplar a produção de bioenergia à de químicos de valor acrescentado. Com este propósito, o Departamento de Energia dos US identificou um grupo de compostos alvo para serem produzidos a partir de carboidratos de biorrefinaria. Entre eles, o 5-hidroximetilfurfural (HMF) é uma molécula altamente versátil que pode ser obtida através da desidratação de hexoses presentes na biomassa e pode ser convertido posteriormente a uma vasta gama de compostos de valor mais elevado. O bioetanol é um dos biocombustíveis mais proeminentes e também foi considerado um dos principais químicos a ser obtido a partir de biomassa. Saccharomyces cerevisiae, o microrganismo mais usado na produção de bioetanol, tem sido extensivamente explorado para a utilização de biomassas renováveis. Considerando isto, e tirando partido das características robustas das estirpes industriais de S. cerevisiae e das estratégias avançadas de edição de genoma, este trabalho focou-se no desenvolvimento de estirpes recombinantes para melhorar a produção de bioetanol, assim como na exploração destas estirpes industriais para a produção de derivados de HMF. Com isto em mente, a presente tese resultou em: (1) uma estirpe capaz de consumir xilose e de atingir rendimentos elevados de etanol a partir da xilose presente em hidrolisados hemicelulósicos não destoxificados, (2) uma estirpe hemicelulolítica capaz de consumir xilose e que resultou na concentração mais alta de etanol a ser reportada a partir de bioprocessamento consolidado de licores hemicelulósicos usando S. cerevisiae, (3) uma estirpe celulolítica capaz de consumir lactose e de produzir concentrações altas de etanol (> 50 g/L) a partir de uma mistura de caroço de milho prétratado e de soro de queijo, usando concentrações baixas de celulases comerciais, e (4) o estabelecimento de estirpes selvagens de S. cerevisiae como possíveis biocatalisadores para a conversão de HMF em ácido 5-hidroximetil-furano-2-carboxílico (HMFCA), e possivelmente em outros derivados de HMF através de estratégias de engenharia genética. Em conjunto, estes resultados suportam a idealização de uma biorrefinaria economicamente viável focada na produção de bioetanol e derivados de HMF com valor acrescentado, usando S. cerevisiae como plataforma celular, e contribuindo para o estabelecimento de uma bioeconomia.

In the last years the biotechnological manufacturing of biofuels and other chemicals from renewable biomasses has appeared as an alternative to the petroleum-based economy. Nonetheless, the implementation of cost-effective and sustainable biorefineries is dependent of coupling the production of bioenergy with high value chemicals. For this purpose, the US Department of Energy identified a group of key target compounds to be produced from biorefinery carbohydrates. Among them 5- hydroxymethylfurfural (HMF) is a highly versatile molecule, that can be obtained by dehydration of the hexoses present on biomass and can be further converted into a wide range of higher value compounds. Bioethanol is one of the most prominent biofuels and has also been considered one of the top chemicals to be obtained from biomass. Saccharomyces cerevisiae, the preferred microorganism for bioethanol production, has been extensively explored for the use of renewable biomasses. Considering these and taking advantage of the robust characteristics of industrial S. cerevisiae strains and of advanced genomeediting strategies, this work focused on the development of recombinant strains for improved bioethanol production, as well as on the exploitation of these industrial strains for the production of HMF-derivatives. With this in mind, the present thesis resulted in: (1) a xylose-consuming strain capable of attaining high ethanol yields from the xylose present in a non-detoxified hemicellulosic hydrolysate, (2) a xyloseconsuming hemicellulolytic strain which resulted in the highest ethanol titer reported from a consolidated bioprocessing of hemicellulosic liquors by S. cerevisiae, (3) a lactose-consuming cellulolytic strain, capable of producing high ethanol titers (> 50 g/L) from a mixture of pretreated corn cob and cheese whey using low quantities of commercial cellulases, and (4) the establishment of wild-type S. cerevisiae as a possible biocatalyst for the conversion of HMF into 5‐hydroxymethyl‐furan‐2‐carboxylic acid (HMFCA), and possibly into other HMF-derivatives through genetic engineering strategies. Altogether, these results support the idealization of an economical viable biorefinery focused on the production of bioethanol and high value HMF-derivatives, using S. cerevisiae as a cell factory platform, and contributing to the establishment of a bio-based economy.