Unravelling the genomic and metabolic features of the yeast Cyberlindnera jadinii: towards the improvement of microbial cell factories

Abstract

O desenvolvimento de aplicações industriais utilizando sistemas biológicos tem ganho uma importância crescente, como uma alternativa aos métodos de síntese química, na procura de processos mais inovadores e sustentáveis. As leveduras, essenciais em vários processos industriais, têm sido alvo de estudo dada a sua capacidade de adaptação às condições adversas presentes em vários destes processos, assim como a capacidade de produzir vários metabolitos de interesse. A levedura Cyberlindnera jadinii tem atraído o interesse de vários investigadores dado o seu elevado potencial biotecnológico. Esta levedura possui uma grande robustez, tem capacidade para crescer em meios de cultura baratos apresentando elevados níveis de aplicabilidade e de produtividade. É também capaz de utilizar uma gama alargada de ácidos orgânicos como fonte única de carbono e energia. Nesse sentido, o estudo da sua fisiologia, metabolismo e genoma é de extrema relevância para potenciar o seu desenvolvimento como fábrica celular microbiana. Neste trabalho, analisámos seis estirpes de C. jadinii: CBS 1600, DSM 2361, PYCC 2578, PYCC 3092, TB104 e TB115. Inicialmente avaliámos o seu perfil de utilização de ácidos carboxílicos como única fonte de carbono e de energia. Com o objetivo de identificar novos transportadores de ácidos carboxílicos de C. jadinii efetuámos a expressão heteróloga de transportadores putativos em Saccharomyces cerevisiae, tendo em vista a caraterização funcional. Em paralelo, numa abordagem in silico, explorámos o genoma desta levedura através de uma análise genómica comparativa entre cinco estirpes. Todas as estirpes de C. jadinii analisadas foram capazes de crescer eficientemente em meios contendo ácidos mono e dicarboxílicos, como única fonte de carbono e energia, mas no ácido tricarboxílico (ácido cítrico) o crescimento foi dependente da estirpe e da temperatura de crescimento. A expressão do gene CT5 em S. cerevisiae promoveu um decréscimo de crescimento em todos os meios testados, o que sugere que este pode codificar um exportador de ácidos carboxílicos. Relativamente à análise genómica, as estirpes de C. jadinii apresentam variabilidade genética, incluindo diferentes níveis de ploidia e presença de inserções e deleções quando comparadas com o genoma de referência. A estirpe PYCC 2578 é a mais distinta geneticamente. Este trabalho contribuiu para uma compreensão mais profunda da levedura C. jadinii, destacando o seu potencial biotecnológico.

The strong demand for industrial applications using biological systems has become increasingly important as an alternative to conventional methods given the growing need for innovative and sustainable solutions. Yeasts, which are essential in industrial processes, have been explored to understand their adaptability to adverse fermentation conditions, and ability to produce metabolites of interest. The yeast Cyberlindnera jadinii has attracted the interest of researchers due to its high biotechnological potential. This yeast is very robust and has the capacity to grow in inexpensive culture media, showing high levels of applicability and productivity. It can also use a wide range of organic acids as a sole source of carbon and energy source. In this regard, exploring its physiological, metabolic, and genomic characteristics is extremely important to promote its implementation as a microbial cell factory. In this study, we analyzed six strains of C. jadinii: CBS 1600, DSM 2361, PYCC 2578, PYCC 3092, TB104 e TB115. Initially we determined the assimilation profiles of carboxylic acids as the sole source of carbon and energy source. Aiming at the identification of novel carboxylic acid transporters, we heterologously expressed putative C. jadinii transporters in Saccharomyces cerevisiae for functional analysis. In parallel, in an in-silico approach, we carried out a comparative genomic analysis of 5 strains. All the strains were able to grow efficiently on media containing mono- and dicarboxylic acids, as sole carbon and energy source, but growth on tricarboxylic acid (citric acid) was strain and growth temperature dependent. The expression of the CT5 gene in S. cerevisiae promoted a decreased growth in all tested media, which suggests that it can encode a as carboxylic acid exporter. Regarding the genomic analysis, the C. jadiniistrains presented genetic variability, including different ploidies, the presence of insertions and deletions, when compared to the genome of reference. The strain PYCC 2578 was found to be the most distinct genetically. Overall, this work contributed to a deeper understanding of the yeast C. jadinii, highlighting its potential in the biotechnology field.