Динамика популяций дрожжей в производстве биотоплива

Исследователи из Университета Кампинас (UNICAMP, Бразилия) и Гарвардского университета (США) изучили ДНК и популяционную динамику дрожжей Saccharomyces cerevisiae, используемых для производства этанола из сахарного тростника в Бразилии. Цель — найти пути к более стабильному и предсказуемому процессу ферментации.

Исследование основано на полногеномном секвенировании и метагеномике. Результаты опубликованы в журнале G3: Genes, Genomes, Genetics.

Хотя S. cerevisiae преобладает, инвазия чужеродных штаммов остаётся обычным явлением. На ферментацию влияют сорт тростника, конструкция процесса, условия эксплуатации, погода и эволюционные изменения в течение сезона. Каждое из 400 промышленных предприятий Бразилии представляет собой уникальную экосистему. Дикие штаммы могут попадать в среду с насекомыми или птицами, а бактериальное загрязнение также влияет на процесс не до конца изученными способами.

Учёные отслеживали динамику популяций дрожжей на двух биорефинериях в течение двух производственных сезонов (апрель–ноябрь 2018 и 2019 гг.). Они применили новую статистическую модель к комбинации метагеномных данных и данных секвенирования около 150 клонов, а также проанализировали данные более 1000 штаммов дрожжей из европейского исследования 2018 года для построения филогенетического дерева.

"Секвенирование ДНК — это как снятие отпечатков пальцев. Мы используем его для идентификации микроорганизмов в ферментации этанола", — пояснил Андреас Гомберт, первый автор статьи. — "Мы обнаружили, что, несмотря на наличие инвазивных штаммов и нестерильность процесса, все линии биотопливных дрожжей сгруппировались на одной ветви дерева. Они все родственны и принадлежат среде этаноловой ферментации. Вероятно, поэтому основные показатели процесса оставались очень стабильными в оба сезона".

Все четыре проанализированных сценария оказались разными, без воспроизводимой закономерности. В одном все присутствующие линии происходили от стартового штамма, в другом — инвазивные линии захватили популяцию и вытеснили стартовый штамм. Различия между двумя последовательными сезонами на одном предприятии были менее выражены, чем различия между двумя разными промышленными установками.

Следующие шаги

Исследователи планируют детальнее изучить динамику популяций дрожжей. Например, какие адаптации делают каждую линию более приспособленной для выживания в конкретной биорефинерии и почему другие исчезают? Каково влияние внешних агентов, таких как бактерии?

"Чтобы выяснить это, мы будем анализировать не только ДНК дрожжей, но и ДНК бактерий, загрязняющих процесс, а затем коррелировать динамику обоих. Это то, что мы называем экологией этаноловой ферментации", — сказал Гомберт.