Caracterização fisiológica e comparação de leveduras Saccharomyces e não-Saccharomyces na presença de diferentes inibidores presentes no hidrolisado lignocelulósico. - SOARES, C. E. V. F. (2021)
Resumo: Várias espécies de leveduras tem sido avaliadas para a produção de combustíveis e produtos químicos a partir de açúcares presentes na biomassa lignocelulósica. O hidrolisado lignocelulósico contém açúcares e também compostos que inibem o metabolismo microbiano, como ácidos orgânicos, furaldeídos e compostos fenólicos. Compreender a resposta de leveduras a esses compostos inibitórios é importante para o desenvolvimento de bioprocessos. Nesse contexto, o objetivo geral desse trabalho foi identificar novas linhagens de leveduras capazes de metabolizar xilose e caracterizar a resposta fisiológica de diferentes espécies em termos de tolerância a inibidores presentes em hidrolisados lignocelulósicos. Inicialmente, as linhagens de leveduras JA1 e JA9, previamente isoladas de madeira em decomposição, foram identificadas pela análise de dados de sequência de DNA das regiões D1/D2 e região ITS 5.8S. Em seguida, o potencial de assimilação de xilose e produção de xilitol dessas linhagens foi avaliado em meio contendo xilose, mistura de xilose-glicose e em hidrolisado lignocelulósico. As linhagens foram identificadas como Spathaspora sp. JA1 e Meyerozyma caribbica JA9, e ambas se destacaram pela capacidade de produção de xilitol em meio sintético e em hidrolisado de biomassa de cana de açúcar. De fato, Spathaspora sp. JA1 produziu 22,62 g/L de xilitol, com rendimento de 0,58 g/g em hidrolisado. Em um segundo momento, a tolerância e a resposta fisiológica de 7 leveduras industriais de Saccharomyces cerevisiae e 7 leveduras não-Saccharomyces em relação a inibidores selecionados de hidrolisados lignocelulósicos foram avaliadas. Comparou-se o perfil de crescimento das 14 leveduras na presença de três concentrações diferentes de furaldeídos (furfural e 5-hidroximetil- furfural - HMF), ácidos orgânicos (ácido acético e ácido fórmico) e compostos fenólicos (vanilina, seringaldeido, ácidos ferúlico e ácido cumárico). Baseado no perfil de crescimento das leveduras, 7 delas foram selecionadas para análise do perfil fermentativo na presença de ácido acético, HMF e vanilina, os compostos inibidores mais tóxicos nas condições testadas. Candida tropicalis JA2, Meyerozyma caribbica JA9, Wickerhamomyces anomalus 740, S. cerevisiae JP1, B1.1 e G06 foram selecionadas porque se mostraram mais tolerantes aos compostos testados, enquanto Spathaspora sp. JA1 foi selecionada por seu bom desempenho no consumo de xilose e produção de xilitol. Os resultados obtidos mostraram uma resposta dose-dependente das leveduras em relação aos oito inibidores avaliados. Entre as leveduras comparadas, as linhagens de S. cerevisiae apresentaram maior tolerância aos compostos fenólicos e furaldeídos, 3 delas com maior tolerância que as demais. Com relação às leveduras não-Saccharomyces, C. tropicalis JA2 e W. anomalus 740 apareceram como as mais tolerantes, enquanto as cepas de Spathaspora foram as mais sensíveis aos diferentes inibidores. Esses resultados demonstram a importância da caracterização fisiológica de diferentes linhagens e espécies de leveduras Saccharomyces e não-Saccharomyces. Abstract: Several yeast species were evaluated for the production of fuels and chemicals from sugars present in lignocellulosic biomass. The lignocellulosic hydrolysate also contains compounds that inhibit microbial metabolism, such as organic acids, furaldehydes and phenolic compounds. Understanding the response of yeasts to these inhibitory compounds is important for the development of different bioprocesses. The general objective of this work was to identify new yeast strains capable of metabolizing xylose and to characterize the physiological response of different species in terms of tolerance to inhibitors present in lignocellulosic hydrolysates. Initially, the yeast strains JA1 and JA9, previously isolated from decomposing wood, were identified by analyzing DNA sequence data from D1/D2 regions and ITS 5.8S region. Then, the potential for assimilation of xylose and production of xylitol from these strains was evaluated in a medium containing xylose, a mixture of xylose-glucose and in lignocellulosic hydrolysate. The strains were identified as Spathaspora sp. JA1 and Meyerozyma caribbica JA9, and both stood out for their capacity to produce xylitol in synthetic medium and in sugarcane biomass hydrolysate. In fact, Spathaspora sp. JA1 produced 22.62 g/L of xylitol, with yield of 0.58 g/g in hydrolysate. In a second step, the tolerance and physiological response of 7 industrial yeasts of Saccharomyces cerevisiae and 7 non-Saccharomyces yeasts in relation to selected inhibitors of lignocellulosic hydrolysates were evaluated. The growth profile of the 14 yeasts was compared in the presence of three different concentrations of furaldehydes (furfural and 5-hydroxymethyl-furfural - HMF), organic acids (acetic acid and formic acid) and phenolic compounds (vanillin, syringaldehyde, ferulic acids and coumaric acid). Based on the yeast growth profile, 7 yeasts were selected for analysis of the fermentative profile in the presence of acetic acid, HMF and vanillin, the most toxic inhibitory compounds under the conditions tested. Candida tropicalis JA2, M. caribbica JA9,Wickerhamomyces anomalus 740, S. cerevisiae JP1, B1.1 and G06 were selected because they were more tolerant to the compounds tested, while Spathaspora sp. JA1 was selected for its good performance in the consumption of xylose. The results obtained showed a dose-dependent response of yeasts in relation to the eight inhibitors evaluated. Among the yeasts compared, the strains of S. cerevisiae showed greater tolerance to phenolic and furaldehydes compounds, 3 of them with greater tolerance than the others. Regarding non-Saccharomyces yeasts, C.tropicalis JA2 and W. anomalus 740 appeared as the most tolerant, while the strains of Spathaspora were the most sensitive to different inhibitors. These results demonstrate the importance of the physiological characterization of different Saccharomyces and non- Saccharomyces yeasts and species.