Ksilozės pernaša modifikuotose Ogataea polymorpha mielėse alkoholinės fermentacijos metu

Abstract

Ksilozė pagal kiekį yra aptinkama antra po gliukozės lignoceliuliozės biomasėje. Jos įtraukimas į mikroorganizmų vykdomą alkoholinę fermentaciją stipriai padidintų bioetanolio išeigą iš žaliavos. Metilotrofinės termotolerantinės Ogataea polymorpha mielės puikiai auga terpėje su ksiloze, tačiau ksilozės pernaša į ląstelę iš gliukozės ir ksilozės mišinių nėra efektyvi. Nešikliai randami Saccharomyces cerevisiae (Gal2 ir Hxt7) arba O. polymorpha (Hxt1) yra identifikuojami kaip potencialūs ksilozės nešikliai, kurių mutagenezė galėtų didinti ksilozės pernašą į ląsteles ir vartojimą alkoholinėje fermentacijoje. Taigi šio darbo tikslas yra ištirti O. polymorpha Hxt1 nešiklio ir heterologinių S.cerevisiae Gal2 arba Hxt7 nešiklių modifikacijų O. polymorpha mielėse įtaką aukštatemperatūrinei alkoholinei fermentacijai. Tyrimo metu O. polymorpha BEP/cat8Δ mielės buvo auginamos fermentacijos terpėje, praturtintoje 7 % gliukozės ir 3 % ksilozės mišiniu. Inkubacinės terpės rūgštėjimas nustatytas pH elektrodu. Etanolio ir gliukozės koncentracijos įvertintos amperometriniais fermentiniais analizatoriais, o ksilozės – spektrofotometrinės analizės metodu. Tyrimo metu nustatyta, kad O. polymorpha Hxt1 mielės geriausiai naudoja ksilozę, o įdėjus gliukozės ar ksilozės nustatytas didžiausias inkubacinės terpės rūgštėjimo greitis. Padidinta heterologinių S. cerevisiae Gal2 raiška O. polymorpha mielėse mažiausiai veikė ksilozės panaudojimą, tačiau Hxt7 efektyviau naudojo ksilozę. Visa tai lėmė Hxt1 ir Hxt7 mutantų didesnį etanolio gamybos produktyvumą bei išaugusią etanolio išeigą.

Xylose is the second most abundant sugar in lignocellulosic biomass. Xylose utilization could increase bioethanol yield from raw material. The thermotolerant methylotrophic yeast Ogataea polymorpha can grow on xylose, however, xylose transport into cells from glucose and xylose mixture is a bottleneck in lignocellulosic ethanol production. S. cerevisiae Gal2 and Hxt7 or O. polymorpha Hxt1 transporters have a potential in xylose fermentation. Mutagenesis of the transporters could be a powerful tool for increasing xylose transport and utilization during ethanol fermentation. This study aims to investigate the modifications of O. polymorpha Hxt1 and heterologous Hxt7 or Gal2 transporters from S. cerevisiae impact on high-temperature alcoholic fermentation in O. polymorpha yeast. In this study, the strains of O. polymorpha were grown in fermentation medium supplemented with 7 % glucose and 3 % xylose mixture. The acidification of the incubation medium was measured by pH electrode. The concentrations of glucose and ethanol were analyzed by enzyme-based amperometric biosensors. The concentration of xylose was measured by spectrophotometric analysis. Our findings indicate that the O. polymorpha strain with the modified Hxt1 transporter resulted in higher xylose utilization and more rapid extracellular acidification following glucose or xylose addition. The overexpression of heterologous S. cerevisiae Gal2 had the least impact on xylose consumption, but overexpression of Hxt7 revealed a better xylose uptake rate in O. polymorpha. All this leads to higher production and higher yield of ethanol in Hxt1 and Hxt7 mutants.