Enhancement of Kluyveromyces marxianus biotechnological potential

Abstract

Kluyveromyces marxianus ir netradicionāls pārtikas raugs, kas spēj patērēt plašu substrātu spektru. Šim raugam ir arī citas priekšrocības, tostarp augsts augšanas ātrums, termotolerance un augsta tādu biotehnoloģiski svarīgu fermentu kā β-galaktozidāzes un inulināzes aktivitāte. Šīs K. marxianus priekšrocības padara to par perspektīvu bioloģiski bagātinātu ķīmisko vielu ražošanai no tādiem atjaunojamiem substrātiem, kā lignoceluloze (ksiloze), polifruktāni (inulīns) un piena sūkalas (laktoze). Mēs izstrādājām nestrukturētu kinētisko modeli un ar biomasu saistītu centrālā metabolisma stehiometrisko modeli. Kinētiskais modelis var kalpot kā rīks bioetanola ražošanas procesu izstrādei un optimizācijai no laktozi un inulīnu saturošiem substrātiem, stehiometriskais modelis atklāj K. marxianus biotehnoloģisko potenciālu rūpnieciskiem pielietojumiem un metabolisma inženierijai. Etiķskābe ir vāja skābe, kas veidojas kā šūnu metabolisma blakusprodukts vai kompleksa substrāta hidrolīzes rezultātā, un ir viens no galvenajiem inhibitoriem, kas kavē K. marxianus plašu industriālo izmantošanu. Darbā mēs pētījām acetāta ietekmi uz četriem K. marxianuscelmiem. Iegūtie rezultāti liecina, ka acetāts inhibē augšanu atkarībā no vides pH, un tam ir izteikta ietekme, ja raugs tiek audzēts uz laktozes vai galaktozes barotnes. Ņemot vērā K. marxianus sugas iekšējo daudzveidību un atšķirības dažādu celmu spējā efektīvi asimilēt laktozi, šajā pētījumā mēs noteicām kopējo β-galaktozidāzes aktivitāti četros K. marxianus celmos (DSM 5422, DSM 5418, DSM 4906 un NCYC 2791), kā arī aktivitātes sadalījumu starp periplazmas un citoplazmas β-galaktozidāzi. Tika konstatēta korelācija starp K. marxianus dažādu celmu toleranci pret acetātu un β-galaktozidāzes lokalizāciju, tādējādi apstiprinot laktozes transportiera lomu acetāta inhibīcijas mehānismā

Kluyveromyces marxianus is non-conventional food grade yeast capable of consuming a wide spectrum of substrates. This yeast also offers other great benefits including a high growth rate, thermotolerance and possesses hight activities of such biotechnologically important enzymes as β-galactosidase and inulinase. These advantages of K. marxianus make it promising for the production of bio-enriched chemicals from renewable substrates such as lignocellulose (xylose), polyfructans (inulin) and dairy whey (lactose). We developed an unstructured kinetic model and a biomass-linked stoichiometric model of central metabolism. The former can serve as tool to develop and optimise processes for producing bioethanol from lactose- and inulin-containing resources, the latter in turn reveals the biotechnological potential of K. marxianus for industrial applications and metabolic engineering. Acetic acid is weak acid formed as a by-product of cellular metabolism or as a result of hydrolysis of a complex substrate, is the one of main inhibitors that hamper a wide industrial usage of K. marxianus. Here, we investigate the effects of acetate in four K. marxianus strains. Our results indicate that acetate inhibits growth in a pH-dependent manner and has pronounced effects if yeast is grown on lactose or galactose. Bearing in mind the intraspecific diversity in K. marxianus and the differences in the ability to efficiently assimilate lactose between the different strains, we determined the total β-galactosidase activity in the four K. marxianus strains (DSM 5422, DSM 5418, DSM 4906 and NCYC 2791) as well as the distribution of activity between periplasmic and cytoplasmic β-galactosidases in this study. The correlation between acetate tolerance of K. marxianus different strains and localization of β-galactosidase was found thus confirming the role of lactose transporter in inhibition mechanism by acetate.