Новое открытие может улучшить промышленные штаммы дрожжей
Промышленные пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используются для производства множества биохимикатов из отходов сельского или лесного хозяйства (биомасса второго поколения). При механической и ферментативной деградации биомассы выделяется уксусная кислота, которая ингибирует рост дрожжей и скорость производства биохимикатов.
Исследователи из Чалмерса применили высокоразрешающий скрининг CRISPRi-библиотек для изучения стрессового ответа дрожжей на уксусную кислоту и обнаружили новые гены-мишени для биоинженерии эффективных промышленных штаммов.
"Мы представляем массивный набор данных, который предлагает исключительное разрешение функционального вклада существенных генов в пекарских дрожжах при стрессе от уксусной кислоты. Подобного раньше не делали", — говорит Васкар Мукерджи, первый автор исследования.
Снижение экспрессии существенных генов с помощью CRISPRi
CRISPR-интерференция (CRISPRi) — мощный инструмент для изучения физиологии клеток в различных условиях роста. С помощью этой технологии, основанной на CRISPR-Cas9, не вставляют и не удаляют гены, а изменяют регуляцию целевого гена. Исследователи могут снизить экспрессию существенных генов (удаление которых убивает организм) и, следовательно, уровень белка, кодируемого целевым геном.
"Для большинства существенных генов это сохраняет организм жизнеспособным, и мы также видим функциональный вклад этого гена при разных уровнях экспрессии в различных питательных или средовых условиях, в данном случае — при стрессе от уксусной кислоты", — поясняет Васкар Мукерджи.
Гены протеасом вовлечены в устойчивость к уксусной кислоте
В исследовании использовали CRISPRi-библиотеку, состоящую из более чем 9000 штаммов дрожжей, и нацелились на более 98% всех существенных генов и генов, необходимых для респираторного роста. Результаты показали, что тонкая настройка экспрессии генов протеасом приводит к повышению толерантности к уксусной кислоте.
Протеасома — это белковые комплексы, которые расщепляют избыточные или поврежденные белки, расходуя АТФ (органическое соединение, обеспечивающее энергией многие процессы в живых клетках). АТФ особенно важен в больших количествах в дрожжевых клетках для борьбы со стрессом от уксусной кислоты.
Авторы предположили, что адаптация протеасомной деградации окисленных белков экономит АТФ и тем самым повышает устойчивость к уксусной кислоте. Результаты представляют широкий интерес, предполагая, что эти гены могут быть мишенями для биоинженерии улучшенных промышленных клеток.
"Наши результаты позволили построить рациональные механистические модели, расширяющие текущее понимание молекулярной биологии дрожжей при стрессе от уксусной кислоты. Я уверен, что многие исследователи последуют по нашим стопам для скрининга существенных генов в других различных условиях. Я верю, что наш набор данных будет использован академическими или промышленными кругами для идентификации новых генетических кандидатов для биоинженерии устойчивых к уксусной кислоте штаммов дрожжей", — говорит Васкар Мукерджи.
Дальнейшие исследования дрожжей и биомассы второго поколения
В настоящее время исследователи из Чалмерса работают над тремя различными проектами с использованием аналогичных технологий, включая проект, в котором технология CRISPRi используется для идентификации новых генетических кандидатов для биоинженерии с целью улучшения совместной утилизации глюкозы и ксилозы во время биохимической ферментации с использованием биомассы второго поколения.
Дикий тип S. cerevisiae не может метаболизировать ксилозу, а инженерный штамм S. cerevisiae, утилизирующий ксилозу, предпочитает глюкозу в качестве основного источника углерода. В результате потребление ксилозы часто бывает неполным в промышленной биохимической ферментации второго поколения и остается одним из основных узких мест для коммерческого производства биохимикатов второго поколения.
Исследование опубликовано в mSystems.