Advanced

Metabolic Control Points in Ethanolic Fermentation of Xylose by Saccharomyces cerevisiae

Runquist, David LU (2010)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vanlig bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, används i storskalig etanol framställning från majs och sockerrör. Användandet av dessa råvaror för etanolproduktion konkurerar dock med framställning av spannmål för föda och djurhushållning. Den här avhandlingen har syftat till att få bagerijäst att använda sockerarten xylos, som finns i stora halter i restprodukter från skogs- och jordbruksindustrin, för etanolproduktion. För närvarande är etanolproduktionen från xylos långsam i jämförelse med andra sockerarter vilket negativt påverkar lönsamheten för en industriell process. Den dåliga xylosjäsningen i jäst beror på att metabolismen inte är optimerad för xylos. Genom olika typer av fysiologiska... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vanlig bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, används i storskalig etanol framställning från majs och sockerrör. Användandet av dessa råvaror för etanolproduktion konkurerar dock med framställning av spannmål för föda och djurhushållning. Den här avhandlingen har syftat till att få bagerijäst att använda sockerarten xylos, som finns i stora halter i restprodukter från skogs- och jordbruksindustrin, för etanolproduktion. För närvarande är etanolproduktionen från xylos långsam i jämförelse med andra sockerarter vilket negativt påverkar lönsamheten för en industriell process. Den dåliga xylosjäsningen i jäst beror på att metabolismen inte är optimerad för xylos. Genom olika typer av fysiologiska studier har jag undersökt var begränsningarna i jästens metabolism ligger, förbättrat dessa delar på gennivå och på så sätt ökat den övergripande etanolproduktionen.

Genom att förse bagerijäst med en xylostransportör från en annan jäst, Candida intermedia, var det möjligt att öka bagerijästens förmåga att transportera xylos in i cellen. På så sätt ökades upptaget av xylos och produktionen av etanol vid låga sockerkoncentrationer. Eftersom upptagshastigheten endast ökade vid låga sockerkoncentrationer, kunde det dock slutledas att xylosnedbrytningen i större utsträckning kontrollerades av andra delar av metabolismen.

Enzymet xylos reduktas (XR) identifierades som en begränsande faktor vid xylosutnyttjande i jäst. Genom att slumpmässigt modifiera genen för XR och välja ut de bästa mutationerna, konstruerade jag en jäststam med ett förbättrat XR enzym. Det nya jäststammen producerade etanol med mer än tio gånger högre hastighet.

När jag undersökte hur gener regleras under jästens xylosnedbrytning fann jag en stor skillnad i vilka gener som används vid xylosjäsning jämnfört med jäsning av andra sockerarter. Det är troligt att de gener som jästen naturligen använder för xylosjäsning inte är optimala för etanolproduktion. (Less)
Abstract
Baker’s yeast, Saccharomyces cerevisae, has been engineered to utilize the pentose sugar xylose present in lignocellulose biomass for the production of ethanol. Currently ethanol production from xylose is slow which limits the implementation of said strains in industrial production. This thesis describes the investigation of several metabolic aspects that control the rate of xylose utilization by recombinant S. cerevisiae.

The affinity of S. cerevisiae transporters for xylose is generally at least one order of magnitude lower than for glucose. It was therefore attempted to improve xylose uptake by expressing a heterologous xylose transporter in S. cerevisiae. Among the transporters investigated, the Gxf1 transporter from Candida... (More)
Baker’s yeast, Saccharomyces cerevisae, has been engineered to utilize the pentose sugar xylose present in lignocellulose biomass for the production of ethanol. Currently ethanol production from xylose is slow which limits the implementation of said strains in industrial production. This thesis describes the investigation of several metabolic aspects that control the rate of xylose utilization by recombinant S. cerevisiae.

The affinity of S. cerevisiae transporters for xylose is generally at least one order of magnitude lower than for glucose. It was therefore attempted to improve xylose uptake by expressing a heterologous xylose transporter in S. cerevisiae. Among the transporters investigated, the Gxf1 transporter from Candida intermedia improved xylose transport kinetics the most. The xylose uptake rate was however only increased at substrate concentration below 4 g/L, which indicated that other parts of the metabolism controlled xylose utilization to a greater extent.

The enzyme xylose reductase (XR) was found to control xylose utilization in S. cerevisiae. Based on these results, XR was modified by random mutagenesis and the resulting S. cerevisiae library was selected in sequential anaerobic batch cultivation on xylose. At the end of the selection process a single mutant, XR N272D, was isolated. The XR N272D mutant displayed improved kinetics in terms of Vmax and cofactor specificity, and significantly increased ethanol productivity.

The regulatory response to xylose was also investigated. It was observed that respiratory genes were up-regulated on xylose compared to glucose under both aerobic and anaerobic conditions. In addition, S. cerevisae expressed different glycolytic isozymes during growth on xylose compared to glucose. It still remains to be established whether the regulatory response to xylose is optimal for ethanol production. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Kielland-Brandt, Morten, Center för mikrobiell bioteknologi, Danmarks Tekniska Universitet, Danmark
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Transcriptomics, Xylose reductase, Saccharomyces cerevisiae, Xylose, Ethanol, Transport, Lignocellulose
pages
102 pages
defense location
Lecture hall C, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2010-11-05 10:15
ISBN
978-91-7422-249-4
language
English
LU publication?
yes
id
718ed684-74fa-42ea-82c7-846369fbc7ff (old id 1690471)
date added to LUP
2010-10-11 13:21:35
date last changed
2016-09-19 08:45:18
@phdthesis{718ed684-74fa-42ea-82c7-846369fbc7ff,
  abstract     = {Baker’s yeast, Saccharomyces cerevisae, has been engineered to utilize the pentose sugar xylose present in lignocellulose biomass for the production of ethanol. Currently ethanol production from xylose is slow which limits the implementation of said strains in industrial production. This thesis describes the investigation of several metabolic aspects that control the rate of xylose utilization by recombinant S. cerevisiae. <br/><br>
	The affinity of S. cerevisiae transporters for xylose is generally at least one order of magnitude lower than for glucose. It was therefore attempted to improve xylose uptake by expressing a heterologous xylose transporter in S. cerevisiae. Among the transporters investigated, the Gxf1 transporter from Candida intermedia improved xylose transport kinetics the most. The xylose uptake rate was however only increased at substrate concentration below 4 g/L, which indicated that other parts of the metabolism controlled xylose utilization to a greater extent.<br/><br>
	The enzyme xylose reductase (XR) was found to control xylose utilization in S. cerevisiae. Based on these results, XR was modified by random mutagenesis and the resulting S. cerevisiae library was selected in sequential anaerobic batch cultivation on xylose. At the end of the selection process a single mutant, XR N272D, was isolated. The XR N272D mutant displayed improved kinetics in terms of Vmax and cofactor specificity, and significantly increased ethanol productivity.<br/><br>
	The regulatory response to xylose was also investigated. It was observed that respiratory genes were up-regulated on xylose compared to glucose under both aerobic and anaerobic conditions. In addition, S. cerevisae expressed different glycolytic isozymes during growth on xylose compared to glucose. It still remains to be established whether the regulatory response to xylose is optimal for ethanol production.},
  author       = {Runquist, David},
  isbn         = {978-91-7422-249-4},
  keyword      = {Transcriptomics,Xylose reductase,Saccharomyces cerevisiae,Xylose,Ethanol,Transport,Lignocellulose},
  language     = {eng},
  pages        = {102},
  school       = {Lund University},
  title        = {Metabolic Control Points in Ethanolic Fermentation of Xylose by Saccharomyces cerevisiae},
  year         = {2010},
}