Reprogramação transcricional de Saccharomyces cerevisiae devido à contaminação bacteriana durante a produção de etanol em escala industrial

Resumo

O etanol no Brasil é produzido principalmente através da fermentação do caldo e melaço de cana de açúcar por Saccharomyces cerevisiae. As leveduras são adicionadas no início da safra e recicladas ao final de cada batelada, e uma vez que a matéria-prima não é esterilizada antes da fermentação, contaminantes bacterianos são constantemente introduzidos no processo, resultando em uma competição dinâmica entre a linhagem inoculada no início da safra e bactérias e leveduras selvagens.PE-2 e CAT-1 são as linhagens mais utilizadas pelas Usinas Brasileiras. Recentemente, nós descrevemos a estrutura genômica da linhagem JAY270, um clone isolado derivado de PE-2 (Argueso et al, 2009). Este estudo proveu as primeiras informações sobre os mecanismos genéticos que contribuem para o ótimo desempenho industrial da linhagem. JAY270 é uma linhagem diploide heterotálica e seu genoma é caracterizado por um elevado grau de heterozigosidade. Esta intrínseca diversidade genética é um fator chave para a extraordinária habilidade de PE-2 prosperar no ambiente hostil encontrado nos tanques de fermentação. A floculação de leveduras é um fenótipo de adesão célula-célula controlado por uma via bem caracterizada (genes da família FLO e seus reguladores transcricionais). Esta via é ativada em resposta aos sinais do ambiente, incluindo a densidade celular, fontes de carbono e/ou nitrogênio, pH, temperatura, oxigênio, agitação, concentração de etanol e a presença de cátions. A floculação não é desejável durante a produção de etanol, uma vez que dificulta a etapa de centrifugação necessária para o reciclo das células, reduz a superfície de contato entre célula e substrato, reduzindo assim o rendimento fermentativo.A maioria das linhagens utilizadas na produção de etanol de cana, incluindo PE-2, não são floculantes. Entretanto, fermentações em escala industriais que empregam essas linhagens ocasionalmente exibem características floculantes, causando significativas perdas de produtividade. Nestes casos, o fenótipo de floculação é tipicamente associado à co-agregação entre células de leveduras e bactérias contaminantes, e não devido aos convencionais mecanismos genéticos de floculação de leveduras. Espécies de Lactobacillus são os principais contaminantes bacterianos encontrados na produção de etanol de cana devido as suas habilidades de tolerar os estresses de etanol do processo [8-11% (v/v)] e lavagem ácida (pH 2-3) aplicada como antibacteriano ao final de cada batelada. L. fermentum, L. vini e L. plantarum têm sido reportados como os principais agentes responsáveis pela co-agregação de leveduras. Apesar de recentes avanços na caracterização de vias metabólicas celulares terem sido obtidos nos últimos anos, contribuindo para explicar o sucesso de PE-2 como uma produtora de etanol, estes estudos baseados em escala de laboratório não conseguem replicar de forma acurada os estresses bióticos e abióticos enfrentados por esta linhagem durante as fermentações em escala industrial. Dessa forma, nós investigamos neste estudo a fisiologia molecular de uma das principais linhagens de S. cerevisiae utilizadas no Brasil para produção de etanol (PE-2), sob duas condições contrastantes: fermentação típica, quando a maioria das células estão em suspensão, e fermentação em co-agregação. O perfil de expressão gênica de PE-2 foi avaliado pela técnica de RNA-Seq durante uma fermentação de batelada em escala industrial. As análises comparativas entre as duas condições revelou perfis transcricionais contrastantes entre as duas condições, caracterizado principalmente por uma profunda repressão da expressão gênica nas amostras co-agregadas. Os dados também indicaram que Lactobacillus fermentum foi a principal espécie bacteriana responsável pela agregação celular e pelas altas concentrações de ácidos orgânicos detectadas nas amostras. Estes dados constituem uma importante fonte que podem prover suporte para futuros trabalhos de desenvolvimentos deste importante biocatalizador. (AU)