Estudio de las diferencias en la regulación del metabolismo fermentativo en las especies del género Saccharomyces

Abstract

[ES] En el presente trabajo, para entender las complejas variaciones que pueden existir a nivel fisiológico y en la regulación del metabolismo entre las especies de S. cerevisiae, S. uvarum y S. kudriavzevii durante la fermentación alcohólica en los mostos, nos proponemos de realizar un estudio metabolómico global. Se ha demostrado que estas tres especies han desarrollado diferentes estrategias en la regulación de su metabolismo respiratorio-fermentativo. Entre ello, las dos especies S. uvarum y S. kudriavzevii, tolerantes a las bajas temperaturas, han demostrado tener diferentes estrategias de resistencia a dichas temperaturas relacionadas con una mayor síntesis de glicerol. También, la especie S. uvarum demostró tener un incremento de actividad de su ruta de Shikimate (ruta de síntesis de alcoholes superiores y esteres) mientras que la especie S. kudriavzevii parece incrementar la síntesis de NAD+ para compensar el desequilibrio redox asociado a su producción de biomasa mayor. Estos últimos resultados parecen ser relacionados con la mayor síntesis de amino-ácidos y alcoholes superiores observados en estas especies durante fermentaciones. En este estudio, la bioinformática y las herramientas de biología tales como la reconstrucción de la expresión genómica, los datos de metabolómica, de transcriptómica y la modelización de los flujos metabólicos nos permitirán entender mejor los mecanismos implicados en la regulación de los procesos respiratorio-fermentativos y en el uso del glicerol en las especies S.cerevisiae, S. uvarum, S. kudriavzevii. Los resultados obtenidos también ayudarán a resolver los nuevos retos a los que se enfrenta la gente del sector vitivinícola, particularmente los debidos al cambio climático y a las nuevas demandas de los consumidores. En bioreactores, a 25°C y con mosto natural de uva blanca, reproduciendo las condiciones de fermentación en bodega, cuantificaremos las diferencias metabólicas entre las especies S. cerevisiae, S. uvarum y S. kudriavzevii. Por un lado, a lo largo de la fermentación, mediremos las concentraciones en metabolitos extracelulares de más relevancia: glucosa, fructosa, glicerol, etanol; ácido acético, ácido láctico, ácido cítrico, ácido succínico, amino-ácidos, alcoholes superiores y esteres. Por otro lado, los metabolitos intracelulares: ATP, ADP, AMP, glucosa 6 fosfato, fructosa 6 fosfato, NAD+, NADH, Piruvato, etc. Al mismo momento, mediremos los parámetros de la población de levaduras en los mostos en fermentación: número de levaduras y tamaño medio de las células. Toda esta información será utilizada por el grupo de informática del instituto IIC-CSIC de Vigo para modelizar los flujos metabólicos de las diferentes especies de Saccharomyces estudiadas.

[EN] In recent years, there is a trend in the wine industry to produce aromatic wines with lower ethanol contents. Saccharomyces cerevisiae is the predominant yeast in wine fermentations because of its high fermentative capacity and ethanol resistance. However, the attributes provided by this species are not those demanded nowadays by the wine consumers. Therefore, new strategies are being introduced in the winemaking procedures to get wines with lower ethanol contents, more aromatic profile or with higher glycerol content. Wine fermentations conducted by other yeast species of the Saccharomyces such as cryotolerant S. uvarum and S. kudriavzevii are some of these new strategies. Indeed, it was observed that both species can reduce ethanol level in wine by a shift of the carbon flux toward the glycerol yield and aromatic compounds production, especially at low temperature. A sign that these species have developed different strategies in their regulation of the fermentative metabolism, like cold resistance mechanisms, that are different from the mechanisms displayed by wine strains of S. cerevisiae. This report is part of the results of a global system biology project based on multi-’omic’ experiments (metabolomic and transcriptomic) that will help us to understand and model the complex physiological and metabolic differences among S. cerevisiae, S. uvarum and S. kudriavzevii during a wine fermentation at low (12°c) and high temperature (25°c). In this work, we focused on the first metabolic data obtained from several wine fermentations performed at 25°C with a set of S. cerevisiae, S. uvarum and S. kudriavzevii yeast strains. In batch cultures, mimicking wine fermentations, we quantified the metabolic differences among these Saccharomyces strains. Along the wine fermentations, in very well controlled bioreactors, we measured the concentrations of the most important extracellular compounds – glucose, fructose, glycerol, ethanol, organic acids (acetic acid, lactic acid, citric acid, tartaric acid, malic acid, succinic acid), and aromas (higher alcohols and esters) – gas production (CO2 released during the fermentation process) and biomass parameters to identify signs of different metabolism strategies. The first results obtained from the fermentation performed at 25°C and presented below confirm that different fermentative mechanism exist among Saccharomyces species.