Mejora de la fermentación de L-arabinosa mediante la modificación de la vía metabólica y el transporte en Saccharomyces cerevisiae

Abstract

La vía de utilización de L-arabinosa se estableció en Saccharomyces cerevisiae, mediante la expresión de los genes araA, araB y araD optimizados por codón de Lactobacillus plantarum. Tras la sobreexpresión de los genes TAL1, TKL1, RPE1, RKI1 y GAL2 y la evolución adaptativa, la utilización de L-arabinosa de la cepa recombinante se hizo eficiente. La cepa resultante mostró una tasa máxima de crecimiento específico de 0,075 h-1, una tasa máxima de consumo específico de L-arabinosa de 0,61 g h-1 g-1 de peso celular seco, y un prometedor rendimiento de etanol de 0,43 g-1 a partir de la fermentación de L-arabinosa.

1. Introducción

Para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, la producción mundial de bioetanol se incrementó de ~45 millones de litros en 2005 a ~113 mil millones de litros en 2012 . Lo más probable es que la futura producción a gran escala de etanol combustible se base en abundantes materiales lignocelulósicos en lugar de azúcar y grano, que son alimentos para los seres humanos y los animales . La producción rentable de etanol combustible a partir de materiales lignocelulósicos requiere el pleno aprovechamiento de las materias primas. Uno de los objetivos de la producción de bioetanol es dotar al microorganismo de fermentación de la capacidad de convertir todos los azúcares de los materiales lignocelulósicos. De los materiales lignocelulósicos se puede recuperar aproximadamente un 3-15% del componente L-arabinosa . Por lo tanto, es necesario construir un microorganismo fermentador de L-arabinosa para aumentar la utilización de este azúcar.

Existen dos tipos de vías metabólicas de L-arabinosa en hongos y bacterias. La aldosa reductasa (AR), la L-arabitol-4-deshidrogenasa (LAD), la L-xilulosa reductasa (LXR) y la D-xilitol deshidrogenasa (XDH) constituyen la vía metabólica de la L-arabinosa fúngica. La reacción catalizada por la AR y la LXR está acoplada a la oxidación del NADPH a NADP+, y la LAD y la XDH utilizan el NAD+ como cofactor. La xilulosa producida es fosforilada y entra en la vía de las pentosas-fosfato (PPP). La vía metabólica de la L-arabinosa bacteriana es independiente del cofactor y está formada por la L-arabinosa isomerasa (AraA), la L-ribulokinasa (AraB) y la L-ribulosa-5-fosfato 4-epimerasa (AraD). La D-xilulosa-5-fosfato producida entra en la APP . Ambas vías metabólicas de la L-arabinosa se establecieron en el Saccharomyces cerevisiae, que es el microorganismo tradicional productor de etanol con una excelente capacidad de fermentación de azúcares y tolerancia al medio ambiente adverso, pero no puede fermentar la L-arabinosa . No es de extrañar que se produzca un desequilibrio redox en la cepa recombinante de S. cerevisiae que contiene la vía metabólica de la L-arabinosa fúngica. El rendimiento del subproducto L-arabitol fue tan alto como 0,48 g-1 de azúcar pentosa consumida en la cofermentación de D-xilosa y L-arabinosa, aunque la cepa que expresa NADH prefirió AR y LXR para disminuir el desequilibrio redox.

Comparada con la vía metabólica de la L-arabinosa fúngica, la vía bacteriana es más simple e independiente del cofactor. Sin embargo, debido a la falta de ensayos de actividad eficaces para las enzimas implicadas en la vía metabólica de la L-arabinosa bacteriana, la optimización de esta vía en S. cerevisiae no fue sencilla. La cepa de S. cerevisiae que expresaba los genes araA, araB y araD de Escherichia coli no podía utilizar la L-arabinosa. Sin embargo, después de sustituir el gen de la L-arabinosa isomerasa de E. coli por el araA clonado de Bacillus subtilis, la cepa pudo crecer y producir etanol con L-arabinosa después de varios círculos de crecimiento adaptativo. Además, la utilización de la L-arabinosa se mejoró aún más cambiando el uso del codón de los genes bacterianos araA, araB y araD a los codones preferidos de la levadura. Los genes del metabolismo de la L-arabinosa de Lactobacillus plantarum se ajustaron al uso de codones de S. cerevisiae más estrechamente que los genes previamente reportados. Wisselink et al. introdujeron múltiples copias de araA y araD y una sola copia de araB de L. plantarum en S. cerevisiae. Después de sobreexpresar los genes que codifican las enzimas de la PPP no oxidativa y de una extensa evolución adaptativa, la cepa resultante mostró un alto rendimiento de etanol de hasta 0,43 g-1 durante el crecimiento anaeróbico en L-arabinosa, con una alta tasa de consumo de arabinosa (0,70 g h-1 g-1 de peso celular seco (PCS)). El metaboloma, el transcriptoma y el análisis del flujo metabólico de una cepa más evolucionada revelaron que los niveles de expresión más elevados de las isoenzimas del transportador de galactosa, la transketolasa y la transaldolasa benefician el crecimiento de S. cerevisiae en L-arabinosa.

En el presente trabajo, los genes únicos araA, araB y araD optimizados por codón de L. plantarum se expresaron en la cepa de S. cerevisiae CEN.PK102-3A a diferentes niveles. A continuación, se sobreexpresaron en esta cepa recombinante los genes TAL1, TKL1, RPE1 y RKI1 implicados en la APP. La cepa resultante se seleccionó secuencialmente en L-arabinosa en condiciones aeróbicas y en condiciones de oxígeno limitado. Se obtuvo una cepa con una capacidad de utilización de L-arabinosa significativamente mayor. Se investigó la capacidad metabólica de L-arabinosa de las cepas evolucionadas y de la cepa que también sobreexpresaba el gen transportador GAL2. Se discuten los factores que afectan a la eficiencia del metabolismo de la L-arabinosa.

2. Materiales y métodos

2.1. Medios y condiciones de cultivo

Para el cultivo de la levadura se utilizó un medio completo sintético (SC) que contenía 1,7 g L-1 de base de nitrógeno de levadura (YNB, Sangon, China) y 5 g L-1 de sulfato de amonio (Sangon, China), con fuentes de carbono adicionales de glucosa (Sangon, China) o L-arabinosa (Sinopharm, China). La mezcla completa de suplementos, 0,77 g L-1 CSM-URA o 0,67 g L-1 CSM-LEU-URA (MP Biomedicals, Solon, OH), se añadió para mantener los plásmidos requeridos con selección auxotrófica cuando fue necesario. Para las cepas con el marcador KanMX4, el medio se suministró con 200 g mL-1 del antibiótico G418 sulfato (Promega, Madison, WI, EE.UU.). Todas las levaduras se cultivaron a 30°C.

2.2. Análisis del índice de adaptación de codones

El índice de adaptación de codones (CAI) se utiliza para ilustrar la preferencia del uso de codones en especies específicas . Para el análisis del CAI, se utilizó CODONW (http://mobyle.pasteur.fr/cgi-bin/MobylePortal/portal.py?form=codonw).

2.3. Construcción de plásmidos y cepas

Se utilizó E. coli DH5 para la subclonación. Las cepas de S. cerevisiae y los plásmidos utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla 1. Los cebadores utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla 2.

Genotipo relevante

Fuente/referencia
Formación
CEN.PK102-3A MATα leu2-3, 112 ura3-52
BSW1A1 CEN.PK102-3A derivado; {YIp5-ara} Este trabajo
BSW1AY CEN.PK102-3A derivado; {YIp5-ara, pYX242} Este trabajo
BSW1A7 CEN.PK102-3A; {YIp5-ara, pYX2422-HXT7araA} Este trabajo
BSW1AT CEN.PK102-3A derivado; {YIp5-ara, pYX2422-TEF1araA} Este trabajo
BSW2AP BSW1AT, gre3 (-241, +338):: TPI1p-RKI1-RKI1t-PGK1p-TAL1-TAL1t-FBA1p-TKL1-TKL1t-ADH1p-RPE1-RPE1t-loxP Este trabajo
BSW3AP BSW2AP, seleccionado para el crecimiento con oxígeno limitado en L-arabinosa Este trabajo
BSW3AG BSW3AP derivado; {pJFE318-GAL2} Este trabajo
Plásmido
Pámsido de E. coli con el segmento LoxP-KanMX4-LoxP
pJPP3 plásmido de integración en levadura basado en pUC19, que contiene brazos recombinantes dirigidos a GRE3, casete de sobreexpresión de Sc-TAL1, Sc-TKL1, Sc-RPE1, Sc-RKI1, y el marcador seleccionable loxP-KanMX4-loxP
YEp24-PGKp 2μ URA3
pHX YEp24-PGKp PGK1p::HXT7p Este trabajo
YIp5 Plásmido de integración, Ura3
YIp5-ara YIp5-HXT7p-araA-PGK1t-HXT7p-araB-PGK1t-HXT7p-araD-PGK1t, y el marcador seleccionable loxP-KanMX4-loxP Este trabajo
pYX242 2μ LEU2
pYX242-WS pYX242-PGK1t-TEF1p Este trabajo
pYX2422-TEF1araA pYX242-PGK1t-TEF1p-araA Este trabajo
pYX2422-HXT7araA pYX242-PGK1t-HXT7p-araA Este trabajo
pJFE3 2μ URA3
pJFE3-GAL2 pJFE3-TEF1p-GAL2-PGK1t Este trabajo
pJFE318-GAL2 pJFE3-GAL2 URA3::KanMX4 Este trabajo
Tabla 1
S. cerevisiae y los plásmidos utilizados en este estudio.

Primers Secuencia (5′-3′) Finalidad
Hxt7 upstream-HX CATAGATCTCTCACAAATTAGAGCTTCAATTTAAT Clonación del fragmento de HXT7p-araA-PGKt1
Pgk6 aguas abajo-S CATGTCGACAGCAATTTAGTGATAAACTACCG Clonación del fragmento de HXT7p-araA-PGKt1
Hxt7 upstream-EEB CATCGGCCGAGATCTCCTAGCTCACAAATTAGAGCTTCAATTTAAT Clonación del fragmento de HXT7p-araB-PGKt1
Pgk6 downstream-S CATGTCGACAGCAATTTAACTGTGATAAACTACCG Clonación del fragmento de HXT7p-araB-PGKt1
Hxt7 upstream CATCCTAGGCTCACAAATTAGAGCTTCAATTTAAT Clonación del fragmento de HXT7p-araD-PGKt1
Pgk6 downstream CATCCTAGGAGCAATTTAACTGTGATAAACTACCG Clonación del fragmento de HXT7p-araD-PGKt1
HXT7p-F CCCAAGCTTCTCACAAATTAGAGCTTCAATT Clonación de HXT7p
HXT7p-R ACGCGTCGACATTGGATCTAGATGCATTCGCG Clonación HXT7p
TEF1 W arriba CCCAAGCTTCACAATGCATATTGTACGTT Clonación TEF1p
TEF1 W abajo GCGCTCGACTTGTAATTAAAACTTAGATTAG Clonación TEF1p
AraA W up ACGCGTCGACATGTTATCTGTTCGATTATG Clonación de araA
AraA W down-His TACGAGTCTTTAGTGGGTGGTGGTGTGTTAAAAATGCTTTTGTCA Clonación de araA
AraA-F CAAGCAGGTGGTTCATCAC Para la PCR cuantitativa en tiempo real de araA
AraA-R TACCAACCATTGTAGCGTAATCTTCC Para la PCR cuantitativa en tiempo real-tiempo real de araA
AraB-1F ATGCAGCATTCGCACCTTTG Para la PCR cuantitativa en tiempo real de araB
AraB-1R CCTTCACCTGCTGGACAT Para la PCR cuantitativa en tiempo real de araB
AraD-1F CCAGCTGCAGATGCATTAACT Para la PCR cuantitativa en tiempo real detiempo real de araD
AraD-1R ACAGCCTTAGCTGGTTGG Para la PCR cuantitativa en tiempo real de araDtime PCR of araD
Gal2 up GCTCTAGAATGCAGTTGAGGAGAACAATATGC Clonación de GAL2
Gal2 abajo ACGCGTCGACTTATTCTAGCATGGCCTTGTAC Clonación GAL2
pG418-Apa I arriba AGTGGCCCTAGTCTAGAGATGTTTAGC Clonación KanMX4
pG418-Nde I down GGAATTCCATATGATTAAGGGTTCTCGAGCTCG Clonación de KanMX4
Tabla 2
Oligonucleótidos utilizados en este trabajo.

Los genes únicos araA, araB y araD, optimizados en cuanto al codón, que codifican la L-arabinosa isomerasa (GenBank: CCC80517.1), la L-ribulokinasa (GenBank: CCC80519.1) y la L-ribulosa-5-fosfato 4-epimerasa (GenBank: CCC80518.1) de L. Plantarum se sintetizaron artificialmente y se ligaron entre el promotor HXT7 y las secuencias terminadoras PGK1 del plásmido pHX, que se construyó sustituyendo la PGK1p del plásmido YEp24-PGKp por la HXT7p, que contiene sitios para las enzimas de restricción Kpn I y Sma I. El fragmento HXT7p-araD-PGK1t se amplificó por PCR con sitios terminales para las enzimas de restricción Hind III y Bln I y luego se insertó en los sitios Hind III y Nhe I de YIp5, dando lugar al plásmido YIp5-araD. El fragmento HXT7p-araA-PGK1t que contiene los sitios terminales Bgl II y Sal I se insertó en los sitios BamH I y Sal I de YIp5-araD, dando como resultado el plásmido YIp5-araAD. El fragmento HXT7p-araB-PGK1t con sitios Eag I y Stu I se insertó en los sitios Eag I y Stu I de YIp5-araAD, dando lugar al plásmido YIp5-ara (Figura 1(a)). El fragmento promotor de TEF1 (con sitios terminales para Hind III y Sal I) y el fragmento terminador de PGK1 (con sitios terminales para BamH I y Hind III) se clonaron a partir de los plásmidos pJFE3 y pYMIKP , respectivamente. Estos dos fragmentos se ligaron y se insertaron en el plásmido pYX242 para construir un vector, pYX242-WS, con dos sitios que pueden utilizarse para expresar genes. A continuación, se insertó el gen araA entre los sitios Sal I y Sac I de este vector bajo el control del promotor TEF1 y el terminador PloyA para su expresión, y el plásmido resultante se denominó pYX2422-TEF1araA (Figura 1(b)). El plásmido pYX2422-HXT7araA (Figura 1(b)) se construyó utilizando el fragmento de HXT7p para desplazar el fragmento de TEF1p del plásmido pYX2422-TEF1araA; las uniones fueron secuencias de reconocimiento BamH I y Sal I. El gen GAL2 se clonó a partir del ADN cromosómico de CEN.PK102-3A y luego se insertó en los sitios Xba I y Sal I del plásmido pJFE3, dando lugar al plásmido pJFE3-GAL2. El fragmento URA3 del plásmido pJFE3-GAL2 entre los sitios Nde I y Apa I fue sustituido por el gen KanMX4 clonado a partir de pUG6 , dando como resultado el plásmido pJFE318-GAL2 (Figura 1(c)).

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)

(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)

Figura 1

Los mapas físicos de los plásmidos (a) YIp5-ara, (b) pYX2422-TEF1araA/HXT7araA, y (c) pJFE318-GAL2.

La transformación de la levadura se realizó mediante el método de transformación con acetato de litio . El plásmido YIp5-ara se linealizó en el sitio Stu I y luego se transformó en CEN.PK102-3A. Las transformantes con los genes araA, araB y araD integrados en el gen URA3 cromosómico se seleccionaron en medio SC que contenía CSM-URA y, tras confirmarse por secuenciación, la transformante deseada se denominó BSW1A1. Los plásmidos pYX242, pYX2422-HXT7araA y pYX2422-TEF1araA se transformaron en BSW1A1, dando lugar a BSW1AY, BSW1A7 y BSW1AT, respectivamente. El pJPP3 linealizado, que contiene los marcos de expresión de los genes TAL1, TKL1, RPE1 y RKI1 , se integró en el cromosoma de BSW1AT en el locus del gen GRE3, dando lugar a la cepa BSW2AP. La cepa BSW2AP se adaptó en 20 g L-1 de L-arabinosa en condiciones aeróbicas y luego en condiciones de oxígeno limitado. Una vez alcanzada la fase estacionaria, se inició un nuevo lote transfiriendo el cultivo a un medio fresco con una biomasa inicial de 0,15 g de DCW L-1. Cuando el tiempo de duplicación de la cepa se estabilizó, se seleccionó el mutante BSW3AP de entre los mutantes adaptados por su excelente crecimiento en L-arabinosa. A continuación se transformó el plásmido pJFE318-GAL2 en la cepa BSW3AP, dando lugar a la cepa BSW3AG.

2.4. PCR cuantitativa en tiempo real

Las células se cultivaron en medio SC con 20 g L-1 de glucosa y se recogieron cuando la DO600 de los cultivos alcanzó 1. El ARN total se extrajo utilizando el reactivo TRIzol (Sangon, China). La primera cadena de ADNc se transcribió de forma inversa a partir de 1 g de ARN total utilizando kits de reactivos PrimeScript RT con gDNA Eraser (Takara, Japón). Los productos de ADNc diluidos se utilizaron para la PCR cuantitativa en tiempo real utilizando el SYBR Green Real-time PCR Master Mix (TOYOBO, Japón) y el LightCycle PCR System (Roche Molecular Biochemicals, Alemania). El gen que codifica la actina, ACT1, se utilizó como gen de referencia para la normalización. Los datos de la PCR en tiempo real se calcularon según el método . Los cebadores para estas PCR se enumeraron en la Tabla 2.

2.5. Fermentación

Se cultivó una sola colonia durante la noche en medio SC que contenía 20 g L-1 de glucosa. Una muestra del cultivo de una noche se diluyó hasta una DO600 inicial de 0,5 en medio SC que contenía 10 g L-1 de glucosa y 10 g L-1 de L-arabinosa. Tras 10 horas de cultivo, se recogieron las células y se utilizaron para la fermentación. Todas las fermentaciones en matraces de agitación se realizaron a 30°C, 200 r min-1, en matraces de agitación de 200 mL que contenían 40 mL de medio. La condición de oxígeno limitado se mantuvo utilizando un tapón de goma. Las fermentaciones por lotes en condiciones anaeróbicas se realizaron en fermentadores de 1,4 L (Infors AG, Suiza) con un volumen de trabajo de 900 mL. Las condiciones anaeróbicas se mantuvieron mediante un chorro de nitrógeno (0,1 L min-1); la velocidad de agitación fue de 500 r min-1. El pH se mantuvo en 5,0 bombeando automáticamente 1 mol L-1 de NaOH y 1 mol L-1 de H3PO4 . La biomasa inicial fue de 0,2 g de SC L-1. La fuente de carbono en el medio SC más CSM-LEU-URA fue de 20 g L-1 de L-arabinosa; se suministraron 200 g mL-1 de G418 en la fermentación de la cepa BSW3AG. El peso celular seco de las cepas evolucionadas y de las no evolucionadas se calculó según la fórmula de peso seco (mg mL-1) = 0,266 × OD600 – 0,0762 y peso seco (mg mL-1) = 0,2365 × OD600 + 0,1149, respectivamente.

2.6. Análisis de los productos de fermentación

Se utilizó la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) Prominence LC-20A (Shimadzu, Japón) equipada con el detector de índice de refracción RID-10A (Shimadzu, Japón) para determinar las concentraciones de azúcares y metabolitos. Se utilizó la columna de intercambio iónico Aminex HPX-87P (Bio-Rad, EE.UU.) para analizar la L-arabinosa, el arabitol y el etanol a 80°C con una fase móvil de agua a un flujo de 0,6 mL min-1. La columna de intercambio iónico Aminex HPX-87H (Bio-Rad, Hércules, EE.UU.) se utilizó para analizar el glicerol y el acetato a 45°C utilizando 5 mmol L-1 de H2SO4 como fase móvil.

3. Resultados

3.1. Expresión de los genes optimizados por codón que participan en la vía de la L-arabinosa en S. cerevisiae

Basado en la secuencia de aminoácidos de la L-arabinosa isomerasa (número de acceso del GenBank CCC80517.1), la L-ribulokinasa (número de acceso del GenBank CCC80519.1), y L-ribulosa-5-fosfato 4-epimerasa (número de acceso al GenBank CCC80518.1) registrados en el National Center for Biotechnology Information (NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), los genes araA, araB y araD de L. plantarum se sintetizaron artificialmente utilizando los codones preferidos de S. cerevisiae. Los CAIs de los codones optimizados de araA, araB y araD fueron de 0,599, 0,580 y 0,646, respectivamente, que fueron superiores a los de las secuencias nativas (0,324, 0,223 y 0,243, respectivamente).

Los casetes de expresión de araA, araB y araD optimizados para el codón se integraron en el cromosoma de la cepa CEN.PK102-3A, dando lugar a la cepa BSW1A1. Sin embargo, BSW1A1 no pudo crecer con L-arabinosa, aunque los ARNm transcritos de estos genes eran todos detectables. A continuación, se introdujeron más copias de araA en BSW1A1, transportadas por el plásmido episomal pYX242 y expresadas bajo el control de los promotores HXT7 y TEF1. Los niveles de transcripción de araA en las cepas resultantes, BSW1A7 y BSW1AT, fueron -doble y -doblemente superiores a los de la cepa de referencia BSW1AY, que sólo llevaba el araA integrado y expresado. Las cepas BSW1A7 y BSW1AT se incubaron aeróbicamente en L-arabinosa, y el crecimiento de la cepa BSW1AT se observó después de ~150 h, mientras que la BSW1A7 no pudo crecer incluso cuando se cultivó durante más tiempo.

3.2. Mejora de la utilización de la L-abinosa en S. cerevisiae mediante ingeniería y evolución

Los genes TAL1, TKL1, RPE1 y RKI1 implicados en la vía de las pentosas fosfato no oxidativas se sobreexpresaron en una única colonia aislada del cultivo de 150 h de la cepa BSW1AT mediante la integración del plásmido linealizado pJPP3 en el cromosoma. La cepa resultante, BSW2AP, evolucionó en L-arabinosa. Después de 9 transferencias en condiciones aeróbicas y 12 transferencias en condiciones de oxígeno limitado, el tiempo de duplicación del cultivo disminuyó de 22 h a 4,5 h. Los mutantes se examinaron en placas de L-arabinosa, y se seleccionó una gran colonia que se denominó BSW3AP.

Los niveles de transcripción de los genes en las cepas recombinantes BSW1AT, BSW2AP y BSW3AP se determinaron mediante PCR cuantitativa en tiempo real (Figura 2). El nivel de expresión de araA en BSW2AP fue 2 veces mayor que en BSW1AT, mientras que los niveles de expresión de araB y araD en BSW2AP fueron menores. Estos cambios podrían deberse a mutaciones ocurridas durante el cultivo de BSW1AT en L-arabinosa. En la cepa evolucionada BSW3AP, los tres genes se expresaron a altos niveles. Los niveles de expresión de araA, araB y araD en BSW3AP fueron 4,1, 1,6 y 2,5 veces superiores a los de la cepa BSW1AT, respectivamente.

Figura 2

La expresión de araA (barras negras), araB (barras grises) y araD (barras en blanco) de las cepas BSW2AP y BSW3AP en comparación con la cepa BSW1AT. Los cambios en los niveles de ARNm de estos genes se han normalizado con respecto a la expresión de ACT1. Las cepas analizadas se cultivaron con 20 g L-1 de glucosa. Los valores indicados se obtuvieron a partir de tres mediciones independientes.

La utilización de L-arabinosa de las cepas BSW1AT, BSW2AP y BSW3AP se comparó en frascos agitadores en condiciones de oxígeno limitado (Figura 3); la DO600 inicial fue de 0,5. No se observó ningún crecimiento de BSW1AT en 120 h. La cepa BSW2AP creció con L-arabinosa con una tasa de crecimiento específica máxima () de 0,011 h-1; se consumieron 4,4 g L-1 de L-arabinosa y se produjo 1,2 g L-1 de etanol en 120 h de fermentación. En cambio, la de la cepa BSW3AP evolucionada aumentó a 0,23 h-1. Tras 120 h de fermentación, se habían consumido 18,6 g L-1 de L-arabinosa con una tasa de consumo específica máxima de 0,7 g h-1 g-1 de DCW; se habían producido 6,9 g L-1 de etanol, y el rendimiento de etanol fue de 0,43 g-1; sólo se habían acumulado 0,13 g L-1 de L-arabitol.

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)

(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)

Figura 3

La fermentación de L-arabinosa de las cepas en frascos agitadores. Capacidad de crecimiento (a), consumo de L-arabinosa (b), formación de arabitol (c) y formación de etanol (d) por BSW1AT (▲), BSW2AP (■) y BSW3AP (). Las cepas se cultivaron en 40 mL de medio SC con 20 g L-1 de L-arabinosa a 30°C, 200 r min-1 con una DO600 inicial de 0,5. Los datos son las medias de tres experimentos independientes.

3.3. La sobreexpresión de GAL2 mejoró la fermentación anaeróbica de L-arabinosa de la cepa evolucionada

El gen de la galactosa permeasa GAL2 se sobreexpresó en BSW3AP, dando lugar a la cepa BSW3AG. Se estudiaron las propiedades de fermentación anaeróbica de L-arabinosa de la cepa BSW3AP y BSW3AG (Figura 4 y Tabla 3) en biorreactores. La cepa BSW3AP creció con L-arabinosa con una tasa de crecimiento específica máxima de 0,067 h-1. La tasa máxima de consumo específico de L-arabinosa fue de 0,49 g h-1 g-1 DCW. El etanol se produjo a una tasa específica máxima de 0,20 g h-1 g-1 DCW con un rendimiento de 0,42 g-1. La sobreexpresión de GAL2 mejoró significativamente la capacidad de fermentación de L-arabinosa. La tasa máxima de crecimiento específico de BSW3AG fue de 0,075 h-1, un 12% más rápida que la de BSW3AP. La tasa de consumo específico de L-arabinosa de BSW3AG fue de 0,61 g h-1 g-1 DCW, un 24% más rápida que la de BSW3AP. La tasa de producción de etanol fue de 0,27 g h-1 g-1 DCW, y el rendimiento de etanol fue de 0,43 g-1. Además, tanto BSW3AP como BSW3AG produjeron pequeñas cantidades de glicerol (1,4 g L-1 para ambas cepas) y cantidades casi indetectables de arabitol y acetato.

Estrella μ max (h-1) La tasa máxima de consumo específico de L-arabinosa
(g h-1 g-1 DCW)
Tasa de producción de etanol
(g h-1 g-1 DCW)
Rendimiento de etanol
(g-1 L-arabinosa consumida)
BSW3AP 0.067 0,49 0,20 0,42
BSW3AG 0,075 0,61 0,27 0.43
Tabla 3
Las tasas máximas de crecimiento específico (), la tasa máxima de consumo específico de L-arabinosa, la tasa de producción de etanol y el rendimiento de etanol para BSW3AP y BSW3AG en 20 g L-1 de L-arabinosa.

(a)
(a)
(b)
(b)

(a)
(a)(b)
(b)

Figura 4

La fermentación anaeróbica por lotes de BSW3AP (a) y BSW3AG (b) en 20 g L-1 de arabinosa. Niveles de (■), arabinosa (◆), etanol (▲), glicerol () y acetato (×). La fermentación se realizó en fermentadores de 1,4 L con un volumen de trabajo de 900 mL. Las condiciones anaeróbicas se mantuvieron mediante un chorro de nitrógeno (0,1 L min-1); la velocidad de agitación fue de 500 r min-1. El pH se mantuvo en 5,0 bombeando automáticamente 1 mol L-1 de NaOH y 1 mol L-1 de H3PO4. La biomasa inicial fue de 0,2 g de DCW L-1. Se utilizaron 20 g L-1 de L-arabinosa como fuente de carbono en el medio SC más CSM-LEU-URA, y se suministraron 200 g mL-1 de G418 en la fermentación de la cepa BSW3AG. Los datos son la media de determinaciones duplicadas.

4. Discusión

La conversión completa de los azúcares es importante para la producción eficiente y rentable de etanol combustible a partir de materiales lignocelulósicos. Incluso pequeñas mejoras en la utilización del sustrato pueden disminuir significativamente los costes de todo el proceso . La L-arabinosa es un componente importante de los materiales lignocelulósicos. La expresión de la vía de la L-arabinosa de L. plantarum ha demostrado ser eficaz en la construcción de L-arabinosa utilizando S. cerevisiae . Dado que los genes con codones optimizados podrían conducir a una mayor expresión de las proteínas , en el presente trabajo, los genes originales araA, araB y araD de L. plantarum se modificaron para que coincidieran con el uso de codones de S. cerevisiae y luego se integraron en el cromosoma de la cepa CEN.PK102-3A. Sin embargo, esta cepa recombinante no pudo crecer con L-arabinosa. A continuación, se introdujeron más copias del gen araA en la cepa recombinante bajo el control de los promotores HXT7 y TEF1. Cuando las dos cepas resultantes se cultivaron en L-arabinosa, sólo se observó crecimiento en los cultivos de la cepa que expresaba araA bajo el control del promotor TEF1, en los que el nivel de transcripción de araA era 1,4 veces mayor que en la cepa que expresaba araA controlada por el promotor HXT7. Sugerimos que sólo cuando el nivel de transcripción de araA es superior a un determinado nivel puede producirse el crecimiento en L-arabinosa. En cambio, sólo se introdujo una copia de araB y araD en esta cepa recombinante, y los niveles de transcripción de estos genes fueron menores que en la cepa parental. Estos fenómenos indicaban que araB y araD eran menos importantes para el crecimiento en L-arabinosa porque sólo una copia de estos genes permitía a la cepa recombinante crecer en L-arabinosa.

La evolución adaptativa demostró ser un método poderoso para mejorar la eficiencia metabólica de las cepas . En el presente estudio, la cepa evolucionada BSW3AP muestra una capacidad de metabolización de L-arabinosa significativamente mejorada. El aumento de los niveles de transcripción de los tres genes (araA, araB y araD) podría contribuir a esta mejora. En comparación con araA y araD, el nivel de expresión de araB fue menor. Becker y Boles informaron de que un mutante en L-arabinosa disminuía la actividad L-ribulokinasa expresada por araB. La expresión relativamente menor de araB evita el consumo excesivo de ATP, lo que beneficiaría el crecimiento de la cepa sobre L-arabinosa.

La L-arabinosa es una nueva fuente de carbono para S. cerevisiae. La captación de L-arabinosa en S. cerevisiae depende principalmente del transporte inespecífico por el transportador de hexosas Gal2p. Los transportadores Hxt9p y Hxt10p también pueden transportar L-arabinosa, pero la eficiencia es muy baja. Se informó que la sobreexpresión de GAL2 mejora la utilización de L-arabinosa. En este estudio, la sobreexpresión de GAL2 aumentó notablemente la tasa de crecimiento y la tasa de consumo de L-arabinosa de nuestra cepa evolucionada BSW3AP. Este resultado sugiere que el flujo metabólico teórico de L-arabinosa es mayor que el detectado en BSW3AP. La utilización de L-arabinosa de BSW3AP estaba limitada por su tasa de absorción. Cuando la GAL2 fue sobreexpresada, más Gal2p en la membrana plasmática condujo a un aumento de la absorción de L-arabinosa y luego promovió la utilización de L-arabinosa. Nuestro resultado confirma la importancia de los transportadores para la utilización de la L-arabinosa; sin embargo, la afinidad de la Gal2p por la L-arabinosa es baja, y la glucosa inhibe competitivamente su unión a la L-arabinosa. La mejora de la eficiencia del transportador específico de L-arabinosa queda por realizar.

5. Conclusiones

Con múltiples pasos de ingeniería genética y evolución adaptativa, obtuvimos la cepa BSW3AG, que crece en L-arabinosa con una de 0,075 h-1. La tasa máxima de consumo específico de L-arabinosa es de 0,27 g h-1 g-1 DCW, y el rendimiento máximo de etanol es de 0,43 g-1 L-arabinosa consumida, que es el 84,3% de la cantidad teórica. Un alto nivel de expresión de araA es notablemente importante para establecer una vía eficiente de L-arabinosa en S. cerevisiae, y se necesitan transportadores más eficientes para mejorar la capacidad de absorción de L-arabinosa de las cepas evolucionadas.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por el Programa Nacional de Investigación Básica Clave (2011CB707405), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de Alta Tecnología de China bajo la subvención (2012AA022106), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (30970091, 31070096, y 31270151), y el Programa de Cooperación Internacional S&T de China (2010DFA32560). Los autores agradecen al Dr. Peter Kötter de la Universidad Johann Wolfgang Goethe de Fráncfort la cepa CEN.PK102-3A.

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