バイオエタノール発酵で望ましいさまざまなストレス耐性特性のための非存続酵母種の表現型景観

背景：非伝統的な酵母は、産業用途向けの酵母生物多様性の巨大でありながらほとんど搾取されていない資源を提示します。これは、第二世代（2G）バイオエタノール発酵における過酷な環境条件に存在するいくつかのストレス因子により適応した代替のエタノール発酵酵母を探る絶好の機会を提供します。非常に寛容な酵母種は、基礎となる耐性メカニズムを調査し、既存の産業株に移動するとより多くのストレス耐性細胞工場の設計に役立つ遺伝子を特定するための興味深い候補です。この目的のために、2Gバイオエタノール産生における望ましいストレス耐性特性のために異なる酵母種の耐性制限を特定するために、非存続酵母種の大規模なコレクションのハイスループット表現型評価を実施しました。次に、12の多耐性株が選択され、異なるストレスの多い条件下で発酵に使用されました。望ましい発酵特性を示す5つの株は、リグノセルロース加水酸塩を使用した小規模な半分析発酵で評価されました。 結果：我々の結果は、バイオエタノール産生に関連するストレス条件に対する耐性のために以前に特徴付けられていなかった多くの非存続酵母種の表現型の景観を明らかにしました。これは、いくつかの非常に耐性のない非サッカロミセス酵母を評価した各ストレス条件について特定されています。また、いくつかの酵母種の多耐性を明らかにしたため、これらの種は、堅牢な一般的なストレス耐性の分子基盤を調査するために良好な候補になります。結果は、特定のストレスの多い条件の存在下で、S。cerevisiaeと比較して、いくつかの非存続型酵母種がS. cerevisiaeと比較して類似またはさらに良い発酵効率を持っていることを示しました。 結論：この研究の前に、非存続酵母の極端なストレス耐性表現型に関する知識は、少数の種のみに限定されていました。私たちの研究は、現在、非サッカロミセス種が代替宿主種として、またはより堅牢な産業用S. serevisiaeバイオエタノール生産酵母の構築のための貴重な遺伝情報の源として出現する可能性を体系的に明らかにしています。印象的な例には、多様なストレス因子に対して非常に高い耐性を示すPichia kudriavzeviiやWickerhamomyces anomalusなどの酵母種が含まれます。この大規模な表現型分析により、非存在性酵母種の極端な表現型の根底にある分子メカニズムを理解し、利益を得るための将来の研究のリソースとして役立つ詳細なデータベースが得られました。

BACKGROUND: Non-conventional yeasts present a huge, yet barely exploited, resource of yeast biodiversity for industrial applications. This presents a great opportunity to explore alternative ethanol-fermenting yeasts that are more adapted to some of the stress factors present in the harsh environmental conditions in second-generation (2G) bioethanol fermentation. Extremely tolerant yeast species are interesting candidates to investigate the underlying tolerance mechanisms and to identify genes that when transferred to existing industrial strains could help to design more stress-tolerant cell factories. For this purpose, we performed a high-throughput phenotypic evaluation of a large collection of non-conventional yeast species to identify the tolerance limits of the different yeast species for desirable stress tolerance traits in 2G bioethanol production. Next, 12 multi-tolerant strains were selected and used in fermentations under different stressful conditions. Five strains out of which, showing desirable fermentation characteristics, were then evaluated in small-scale, semi-anaerobic fermentations with lignocellulose hydrolysates. RESULTS: Our results revealed the phenotypic landscape of many non-conventional yeast species which have not been previously characterized for tolerance to stress conditions relevant for bioethanol production. This has identified for each stress condition evaluated several extremely tolerant non-Saccharomyces yeasts. It also revealed multi-tolerance in several yeast species, which makes those species good candidates to investigate the molecular basis of a robust general stress tolerance. The results showed that some non-conventional yeast species have similar or even better fermentation efficiency compared to S. cerevisiae in the presence of certain stressful conditions. CONCLUSION: Prior to this study, our knowledge on extreme stress-tolerant phenotypes in non-conventional yeasts was limited to only few species. Our work has now revealed in a systematic way the potential of non-Saccharomyces species to emerge either as alternative host species or as a source of valuable genetic information for construction of more robust industrial S. serevisiae bioethanol production yeasts. Striking examples include yeast species like Pichia kudriavzevii and Wickerhamomyces anomalus that show very high tolerance to diverse stress factors. This large-scale phenotypic analysis has yielded a detailed database useful as a resource for future studies to understand and benefit from the molecular mechanisms underlying the extreme phenotypes of non-conventional yeast species.