Manipulation of glucose transport for improved growth and fermentation of Torulaspora delbrueckii

Abstract

A glucose, fonte de carbono e energia preferencial para a maioria das células eucariotas, é capaz de estimular o seu próprio transporte através da membrana plasmática. Este é um passo limitante que afeta a capacidade fermentativa das leveduras. Em Saccharomyces cerevisiae, tal como em Torulaspora delbrueckii, que emergiu como uma espécie de levedura promissora para ser implementada nas indústrias vínica e da panificação, a entrada de hexoses nas células ocorre pelo intermédio de proteínas transportadoras. Em T. delbrueckii, o transporte de glucose é mais sensível aos efeitos inibitórios causados pelo etanol do que em S. cerevisiae. Assim, a caracterização e manipulação dos transportadores de glucose de T. delbrueckii poderá ser uma estratégia adequada para aumentar a sua taxa de crescimento e melhorar a sua capacidade fermentativa na presença de etanol. No presente trabalho, avaliamos a taxa específica de crescimento de 41 estirpes de T. delbrueckii e examinamos os seus genomas de forma a caracterizar o seu repertório de transportadores de hexoses. Todas as estirpes codificam pelo menos 5 transportadores, mas a maioria codifica um ou dois transportadores adicionais. Não foi observada uma correlação entre as taxas específicas de crescimento em meio YPD, o número de transportadores e as origens das estirpes analisadas. Análises adicionais foram realizadas usando a estirpe T. delbrueckii PYCC 5321, onde os níveis de expressão dos seus 4 genes mais conservados foram analisados ao longo das diferentes fases de crescimento. Os resultados não indicaram variação significativa nos níveis de expressão de 3 desses genes, no entanto, um deles é significativamente mais expresso na fase estacionária. Adicionalmente, tentamos caracterizar os mesmos 4 transportadores, clonando e expressando-os numa estirpe de S. cerevisiae hxt null. De forma semelhante, tentamos melhorar o crescimento e capacidade fermentativa de T. delbrueckii através da expressão dos transportadores de S. cerevisiae menos sensíveis ao etanol. No entanto, as duas estratégias de clonagem ainda estão a ser otimizadas. Este trabalho revelou alguns aspetos interessantes, relacionados com o transporte de glucose e as proteínas transportadoras de T. delbrueckii, contribuindo assim para aprofundar o conhecimento desta espécie.

Glucose, the preferred carbon and energy source for most eukaryotic cells, is able to stimulate its own transport across the plasma membrane. This is a rate limiting step which, consequently, affects yeasts fermentation capacity. In Saccharomyces cerevisiae, as well as in Torulaspora delbrueckii, a yeast species that has emerged as a promising species to be implemented in wine and bread making industries, the uptake of hexoses occurs mainly through the intermediary of transporter proteins. It has been reported that T. delbrueckii’s glucose transport has a higher sensitivity to inhibitory effects caused by ethanol when compared to S. cerevisiae’s. Thus, the characterization of T. delbrueckii’s glucose transporters and the manipulation of its hexose transport might be a suitable strategy to increase this species growth rate and improve its fermentation capacity when ethanol is present. In the present work, we assessed the specific growth rate of 41 T. delbrueckii strains and examined their genome to characterize the species repertoire of hexose transporter genes. All strains encode at least five transporters, but most encode one or two additional ones. No correlation was observed between the values obtained for the specific growth rate, number of transporters encoded and the origins of the T. delbrueckii strains analysed in the scope of this work. Further analyses were performed using T. delbrueckii PYCC 5321, where the expression levels of the four most conserved transporters were analysed, throughout the different phases of its growth. Results indicated no significant variation in the expression levels of three of the transporters, however, one of them was significantly more expressed on the stationary phase. Additionally, we tried to characterize the same four transporters of this species by cloning and expressing them on a S. cerevisiae hxt null strain. In a similar way, we also tried to improve the growth and fermentation of T. delbrueckii by the expressing S. cerevisiae’s transporters less sensitive to ethanol. However, both cloning strategies are still being optimized. The present work revealed some interesting aspects related to T. delbrueckii’s glucose transport and protein transporters, contributing, then, to deepen the knowledge about this species.