Metabolismo de sacarose em Saccharomyces cerevisiae: a caminho de leveduras sintéticas com maiores fluxos glicolíticos para a biotecnologia industrial

Resumo

A glicólise em levedura é a via metabólica central para a obtenção de bioprodutos. Sua regulação tem sido objeto de estudo por décadas, no entanto, tentativas de aumentar o fluxo glicolítico tipicamente falham. Curiosamente, a velocidade da glicólise de linhagens de levedura industriais e de laboratório é maior durante o crescimento em sacarose, do que em glicose. Apesar destas observações, o metabolismo de sacarose em Saccharomyces cerevisiae não tem sido estudado tão minuciosamente e algumas questões fundamentais permanecem sem resposta, como por exemplo por que S. cerevisiae apresenta maior velocidade específica de crescimento em sacarose do que em glicose. O objetivo da presente proposta de pesquisa é uma análise sistêmica do metabolismo da sacarose nestas linhagens, procurando entender e eventualmente propor estratégias de engenharia metabólica para maiores velocidades glicolíticas. O metabolismo de sacarose em S. cerevisiae é iniciado pela enzima invertase, codificada pelos genes da família SUC. A enzima catalisa a hidrólise extracelular da sacarose, liberando os monômeros glicose e frutose. O consumo de subtratos em S. cerevisiae é caracterizado pelo mecanismo de repressão por glicose, que leva ao consumo preferencial deste monossacarídeo, sendo o consumo e o catabolismo de outros açúcares reprimido. Estes açúcares somente são metabolizados na ausência (ou em concentrações muito baixas) de glicose. Por isto, em princípio, o crescimento em glicose deveria ser mais rápido do que o crescimento em sacarose. Interessantemente, este não é o caso - muitos estudos prévios apontam para uma maior velocidade de crescimento em sacarose, do que em glicose. O objetivo deste trabalho é estudar nove linhagens diferentes, incluindo uma S. cerevisiae que apresenta velocidade específica de crescimento de 0.57 1/h em meio definido com sacarose como única fonte de carbono. Os mecanismos exatos de regulação gênica por trás do catabolismo de sacarose, em relação ao da glicose, ainda não foram totalmente elucidados, assim como o quadro metabólico (concentrações de metabólitos e fluxos metabólicos). No projeto, usaremos cultivos em biorreator sob anaerobiose ou aerobiose plena, em combinação com ferramentas atuais de biologia de sistemas, como metabolômica, fluxômica e modelagem matemática, para ganhar conhecimento sobre o metabolismo celular e sua regulação. Este trabalho objetiva esclarecer o metabolismo da sacarose, usando uma abordagem de biologia de sistemas. Será estudada a fisiologia de diferentes linhagens de S. cerevisiae durante o crescimento em sacarose, com a análise de metabólitos intra- e extracelulares. As diferentes hipóteses sobre a regulação por sacarose serão testadas por modelagem matemática (simulação e predição) e validação experimental, seguindo o ciclo projeto-construção-verificação da biologia de sistemas. O grupo do Dr. Andreas Gombert possui vasta experiência na caracterização fisiológica de linhagens de levedura indígenas, laboratoriais e industriais. O grupo do Dr. Aljoscha Wahl tem grande experiência na análise profunda do metabolismo microbiano, incluindo a glicólise em levedura, que é também o foco do projeto-parceiro no BE-BASIC (Yeast 3M). O projeto está no centro das atividades dos programas BIOEN/FAPESP e BE-BASIC: o estudo de um fenômeno biológico fundamental (nomeadamente a regulação metabólica da glicólise), com grande impacto na futura implementação de estratégias de engenharia metabólica em linhagens industriais para a produção sustentável de bioprodutos como combustíveis e químicos em geral. (AU)