Metabolic engineering for the improvement of fatty acid synthesis in industrial Saccharomyces cerevisiae strains

Abstract

A exploração da capacidade dos microrganismos na síntese industrial de uma ampla variedade de ácidos gordos emerge como uma estratégia promissora para impulsionar as indústrias biotecnológicas. Na natureza, existem dois mecanismos principais responsáveis pela produção de ácidos gordos: os sistemas de síntese de ácidos gordos do tipo I e do tipo II. S. cerevisiae é uma espécie um fungo unicelular com funções importantes em indústrias fermentativas e investigação em biologia. A robustez das suas estirpes industriais pode ser utilizada na produção de ácidos gordos. Contudo, o sistema nativo FAS de tipo I em S. cerevisiae representa um desafio para a produção de ácidos gordos não tipicamente produzidos em levedura. Por meio de recombinação homóloga, foi construído um vetor de expressão que contém um sistema FAS de tipo II e o marcador dominante KanMX em levedura. A natureza do marcador seletivo possibilitou a sua expressão em estirpes industriais de S. cerevisiae. No entanto, a expressão heteróloga desse plasmídeo em uma estirpe mutante Δfas2 de S. cerevisiae não complementou a produção de ácidos gordos e o seu crescimento em meio de cultura onde não foram adicionados ácidos gordos. A Enoyl-ACP reductase é a enzima que catalisa a última etapa do ciclo de elongação no sistema de síntese de ácidos gordos. Embora esta reação enzimática seja conservada na natureza, a estrutura e a organização da enzima varia consideravelmente entre organismos. Este estudo avaliou o impacto da atividade de diferentes Enoyl-ACP redutases no crescimento de uma estirpe de levedura Δfas2 cuja produção de ácidos gordos estava dependente de um sistema heterólogo FAS tipo II. A preferência dessas enzimas pelo uso de NADP ou NADPH como cofatores não impactou a produção de ácidos gordos na levedura. A melhoria mais significativa no crescimento foi observada com a sobreexpressão do gene MOD1 derivado da Arabidopsis thaliana. Ainda assim, a expressão adicional de uma enoyl-ACP redutase resultou em aumento do crescimento em todas as estirpes. Este passo na síntese de ácidos gordos em levedura é um potencial alvo para aumentar a produção desses compostos.

Exploiting the industrial-scale proficiency of microorganisms in the synthesis of a wide array of fatty acids stands as a promising strategy for advancing bio-based industries. There are two main mechanisms in which fatty acids are produced in nature: type I and type II fatty acid synthase systems. S. cerevisiae is a unicellular fungus that has important functions in fermentative industries and biological research. The robust nature of industrial S. cerevisiae strains is advantageous in the production of fatty acids. However, the nature of the native type I FAS system in S. cerevisiae is a major setback in the production of fatty acids that aren’t normally produced in this organism. An expression vector containing a type II FAS system and the dominant KanMX marker was constructed in yeast by homologous recombination. The nature of the selective marker allowed for its expression in industrial S. cerevisiae strains. However, the heterologous expression of this plasmid in a Δfas2 mutant S. cerevisiae strain did not complement the production of fatty acids and its growth in media depleted of exogenous fatty acids. The enoyl-ACP reductase is the enzyme that catalyses the last reaction of the elongation cycle in the fatty acid synthase system. This enzymatic reaction is conserved in nature, however, the structure and organization of the enzyme is unusually diverse among organisms. This study assessed the impact of the activity of different Enoyl-ACP reductases on the growth of a Δfas2 yeast strain that relied on a heterologous type II FAS system for the production of fatty acids. The preference of the Enoyl-ACP reductases for the use of either NADP or NADPH as the cofactor didn’t seem to impact the production of fatty acids in yeast. The most substantial improvement in growth was observed with the overexpression of the MOD1 gene derived from Arabidopsis thaliana. However, the expression of an additional Enoyl-ACP reductase resulted in increased growth across all strains. This step in the synthesis of fatty acids in yeast is a potential target for the upscaling of the production of fatty acids in yeast.