Study of connections between glycolysis and the sugar sensing signaling pathways in Saccharomyces cerevisiae
(2018) KMBM05 20181Applied Microbiology
- Abstract
- Xylose represents up to a third of the biomass used in the production of second generation biofuels, but conversion methods of this pentose sugar are still inefficient. This is problematic from both an economical and an environmental perspective. Achieving efficient co-consumption of glucose and xylose in Saccharomyces cerevisiae, the most commonly used fermentative microorganism, is an attractive approach to undertake this challenge. It was recently discovered that high concentrations of xylose cause an intracellular signaling response similar to what is seen in low glucose conditions. This suggests that the response given by the three carbon-sensing signaling pathways Snf3p/Rgt2p, SNF1/Mig1p and cAMP/PKA could be the bottleneck... (More)
- Xylose represents up to a third of the biomass used in the production of second generation biofuels, but conversion methods of this pentose sugar are still inefficient. This is problematic from both an economical and an environmental perspective. Achieving efficient co-consumption of glucose and xylose in Saccharomyces cerevisiae, the most commonly used fermentative microorganism, is an attractive approach to undertake this challenge. It was recently discovered that high concentrations of xylose cause an intracellular signaling response similar to what is seen in low glucose conditions. This suggests that the response given by the three carbon-sensing signaling pathways Snf3p/Rgt2p, SNF1/Mig1p and cAMP/PKA could be the bottleneck explaining the low xylose-assimilation rates. Altering the expression levels of genes involved in the signaling pathways can affect the intracellular response and might enable yeast cells to recognize xylose as a carbon-rich environment. In this study, the gene encoding glucose-6-phosphate isomerase (Pgi1p), responsible for interconversion of glucose-6-phosphate to fructose-6-phosphate, was deleted in xylose-assimilating biosensor strains and its impact on growth in various sugar combinations was evaluated. The activity of the two signaling pathways Snf3p/Rgt2p and SNF1/Mig1p was then monitored over time on sole xylose media and compared to the response given in the parental strains. The results indicated that deletion of PGI1, and thereby alterations to the intracellular levels of glucose-6-phosphate and its derived metabolites, could significantly affect the two signaling pathways. Based on the results, a new hypothesis of the mechanism responsible for the change in signaling was suggested. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Biobränsle är ett av framtidens stora hopp för att bromsa klimatförändringen. Men upp till en tredjedel av råmaterialet som används till biobränsle kan idag inte brytas ner av de mikroorganismer som man normalt använder sig av. I denna studie visar vi att vissa av molekylerna som bildas i nedbrytningsprocessen är särskilt viktiga för vad som känns igen som nedbrytningsbart av mikroorganismen. Upptäckten kan bidra till att man i framtiden kan ta till vara på även den del av biomassan som idag går till spillo.
Klimatförändringen är troligtvis en av de största utmaningarna i vår tid vilket knappast kan ha undgått någon. Den ökande temperaturen, de smältande polarisarna och de allt fler och mer omfattande naturkatastroferna beror sannolikt... (More) - Biobränsle är ett av framtidens stora hopp för att bromsa klimatförändringen. Men upp till en tredjedel av råmaterialet som används till biobränsle kan idag inte brytas ner av de mikroorganismer som man normalt använder sig av. I denna studie visar vi att vissa av molekylerna som bildas i nedbrytningsprocessen är särskilt viktiga för vad som känns igen som nedbrytningsbart av mikroorganismen. Upptäckten kan bidra till att man i framtiden kan ta till vara på även den del av biomassan som idag går till spillo.
Klimatförändringen är troligtvis en av de största utmaningarna i vår tid vilket knappast kan ha undgått någon. Den ökande temperaturen, de smältande polarisarna och de allt fler och mer omfattande naturkatastroferna beror sannolikt på ett allt för stort utsläpp av växthusgaser under det senaste århundradet. För att få bukt med de stora klimatproblemen måste vi byta ut de icke-förnybara energikällorna, så som fossila bränslen, mot mer förnybara och miljövänligare alternativ. Ett lovande alternativ är biomassa. Biomassa kommer från växtriket och kan bestå av skog och jordbruksavfall. Till skillnad från t ex fossil olja är biomassa förnybar och eftersom växter med hjälp av solljus omvandlar koldioxid i luften till socker som används för tillväxt, så kan nettoproduktionen av koldioxid bli minimal eller till och med noll.
Biomassa består av tre huvudkomponenter: cellulosa, hemicellulosa och lignin. Cellulosa är uppbyggt av druvsocker-enheter, eller glukos, medan hemicellulosa till största del består av en annan typ av socker som kallas xylos. Från biomassan produceras biobränslen, så som bioetanol, som sedan t ex kan användas som bränsle i bilar. Denna omvandling kan göras med hjälp av mikroorganismer, och den absolut vanligaste organismen för detta är vanlig bakjäst, Saccharomyces cerevisiae. Glukos är väldigt lätt för jäst att bryta ner, men tyvärr gäller inte det samma för xylos. För att man ska kunna bilda så mycket biobränsle som möjligt har man använt sig av genteknik för att förbättra jästens kapacitet att bryta ner biomassan, men en tillräckligt effektiv nedbrytning av xylos har man ännu inte lyckats åstadkomma. Detta är ett stort problem eftersom xylosen kan utgöra så mycket som en tredjedel av biomassan.
Mikroorganismer som kan bryta ner xylos förekommer naturligt, men eftersom bakjäst fungerar så otroligt bra i produktionssammanhang så har många forskningsgrupper valt att fokusera på att möjliggöra xylosnedbrytning i jäst istället. Detta har man t.ex. gjort genom att sätta in gener för nedbrytningsvägar, eller så kallade metabola vägar, från andra organismer i jäst. Men trots att detta i teorin borde möjliggöra effektiv nedbrytning av xylos, så har det inte gjort det i praktiken. En nyligen publicerad studie visar på att detta kan bero på hur jästen uppfattar xylosen i omgivningen. Studien tyder på att jäst har svårt att se skillnad på mycket xylos och väldigt lite glukos. Och när jästcellen tror att den befinner sig i en omgivning med väldigt lite glukos kommer signaler i jästen att säga åt den att inte börja växa. Studier pekar på att den första molekylen som bildas i glykolysen (nedbrytningen av glukos) är väldigt viktig för de signalerande vägarna som talar om för jästen hur mycket socker som finns i omgivningen, men exakt hur den påverkar vet man inte. Denna molekyl, som kallas glukos-6-fosfat eller bara G6P, omvandlas sedan vidare till fruktos-6-fosfat (eller F6P) i det andra steget i glykolysen. Proteinet som sköter denna omvandling heter G6P isomeras, eller PGI1p. Vidare omvandlas F6P till fruktos-1,6-bisfosfat (F-1,6-BP) i glykolysens tredje steg.
För att undersöka hur de signalerande vägarna påverkas av G6P, F6P och F-1,6-BP har vi i denna studie tagit bort genen som bildar proteinet PGI1p, vilket leder till att ingen G6P kan omvandlas till F6P, och därmed att ingen F-1,6-BP kan bildas från F6P. Genom att låta jästen växa på olika typer av socker och studera om de signalerande vägarna är på- eller avslagna har vi kommit fram till att PGI1p och någon eller några av de tre nämna molekylerna spelar en väldigt viktig roll i hur jästen uppfattar xylos i omgivningen. Vi har sett att en av de signalerande vägarna, som man tidigare inte trodde påverkades av dessa molekyler, faktiskt gör det. Fördjupade kunskaper om de signalerande vägarna kan i framtiden leda till framtagandet av en jäststam som kan bryta ner xylos med tillräckligt effektiv hastighet för att det ska vara ekonomiskt lönsamt! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8949989
- author
- Lundberg, Ester LU
- supervisor
- organization
- alternative title
- Studie av samband mellan glykolysen och de sockersignalerande vägarna i Saccharomyces cerevisiae
- course
- KMBM05 20181
- year
- 2018
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- applied microbiology, teknisk mikrobiologi
- language
- English
- id
- 8949989
- date added to LUP
- 2018-06-18 15:51:11
- date last changed
- 2018-06-18 15:51:11
@misc{8949989,
abstract = {{Xylose represents up to a third of the biomass used in the production of second generation biofuels, but conversion methods of this pentose sugar are still inefficient. This is problematic from both an economical and an environmental perspective. Achieving efficient co-consumption of glucose and xylose in Saccharomyces cerevisiae, the most commonly used fermentative microorganism, is an attractive approach to undertake this challenge. It was recently discovered that high concentrations of xylose cause an intracellular signaling response similar to what is seen in low glucose conditions. This suggests that the response given by the three carbon-sensing signaling pathways Snf3p/Rgt2p, SNF1/Mig1p and cAMP/PKA could be the bottleneck explaining the low xylose-assimilation rates. Altering the expression levels of genes involved in the signaling pathways can affect the intracellular response and might enable yeast cells to recognize xylose as a carbon-rich environment. In this study, the gene encoding glucose-6-phosphate isomerase (Pgi1p), responsible for interconversion of glucose-6-phosphate to fructose-6-phosphate, was deleted in xylose-assimilating biosensor strains and its impact on growth in various sugar combinations was evaluated. The activity of the two signaling pathways Snf3p/Rgt2p and SNF1/Mig1p was then monitored over time on sole xylose media and compared to the response given in the parental strains. The results indicated that deletion of PGI1, and thereby alterations to the intracellular levels of glucose-6-phosphate and its derived metabolites, could significantly affect the two signaling pathways. Based on the results, a new hypothesis of the mechanism responsible for the change in signaling was suggested.}},
author = {{Lundberg, Ester}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Study of connections between glycolysis and the sugar sensing signaling pathways in Saccharomyces cerevisiae}},
year = {{2018}},
}