Caracterización y mejora genética de la termotolerancia de levaduras del género Saccharomyces procedentes de diversos nichos ecológicos

Abstract

[ES] Las levaduras son unos de los microrganismos más versátiles, ampliamente utilizados en diversos procesos biotecnológicos. Esto es debido a sus características metabólicas, como la producción de etanol y la tolerancia a este metabolito, y su capacidad de obtener productos de elevado valor añadido. Para ajustar la temperatura lo más posible al rango óptimo de crecimiento en la industria, las empresas utilizan una gran cantidad de energía calentando o enfriando las diferentes etapas de estos procesos. Es por ello que la adaptación y tolerancia de la cepas de levadura a temperaturas fuera del rango óptimo de crecimiento es crucial en cuanto a los aspectos económicos y de ecoeficiencia relacionados con los procesos de fermentación, tanto tradicionales como los más modernos. En la industria del vino, realizar la fermentación a bajas temperaturas (10 – 15 ºC) es cada vez más frecuente debido a la finalidad de producir vinos blancos y rosados con un perfil aromático más pronunciado. Esta mejora en el perfil organoléptico es debido a una mayor retención y producción de compuestos volátiles, como ésteres de acetato y etilo que proporcionan aromas florales y afrutados. Además, la industria del vino puede ejercer un mayor control sobre la población bacteriana mediante la reducción del crecimiento de bacterias acéticas y lácticas, disminuyendo así la producción de compuestos aromáticos que producen un impacto negativo en el perfil organoléptico. Sin embargo, la fermentación a baja temperatura presenta algunas desventajas, como la reducción de la tasa de crecimiento, fase de latencia más larga, fermentación más lenta o paradas en la misma. Estos problemas pueden evitarse mediante la selección de levaduras adaptadas para fermentar a baja temperatura. En otros procesos biotecnológicos, como la producción de bioetanol o la fermentación del cacao, las altas temperaturas (≥ 40º C) juegan un papel importante. En estos procesos, las levaduras se encuentran sometidas a estreses muy importantes, como la elevada concentración de etanol, estrés osmótico, presencia de inhibidores y elevadas temperaturas. Mejorar las cepas de levaduras utilizadas en estos procesos para realizar la fermentación a elevada temperatura puede mejorar el rendimiento de estos procesos, disminuyendo el tiempo en el que se lleva a cabo o evitar paradas en las fermentaciones. II En este estudio se ha evaluado el crecimiento de una colección de 59 cepas de Saccharomyces pertenecientes a diferentes nichos ecológicos para mejorar algunas de estas cepas en términos de termotolerancia, mediante diferentes técnicas de ingeniería genética y metabólica. Para llevar a cabo este objetivo, se han llevado a cabo experimentos de evolución adaptativa y construcción de híbridos intra e interespecíficos, obteniendo cepas sin empelar técnicas de modificación genética. El objetivo de este trabajo es la mejora de cepas en su termotolerancia construyendo híbridos entre cepas de Saccharomyces (criotolerantes, termotolerantes y buenas fermentadoras) o mediante evolución adaptativa. Los híbridos resultantes se fenotiparán utilizando diferentes técnicas (microvinifiaciones en mosto sintético, fermentaciones en mosto de cachaça, crecimiento líquido en placas de 96 pocillos, etc.) para descubrir qué cepas han evolucionado a una mayor adaptación a baja y alta temperatura durante las fermentaciones.

[EN] Yeasts are one of the most versatile microorganisms, widely used in diverse industrial biotechnological processes. This is due to its metabolic characteristics, such as the ethanol production and its tolerance to this metabolite, and its capacity to produce other useful valuable products. To fine-tune temperature as close as possible to the optimum growth temperature of the fermentative strains, the industry spends a huge amount of energy cooling or heating the tanks. In this way, the adaptation and tolerance of yeast strains towards temperatures outside the optimum range is crucial for economic and eco-efficient production processes for new and traditional fermentations. In wine industry, making the fermentation process at low temperatures (10 – 15 ºC) is becoming more frequent due to the aim of producing white and “rosé” wines with more pronounce aromatic profile. This improvement in the aromatic profile is due to the III higher retention of some volatiles compounds, such as acetate and ethyl esters that impart sweet and fruity aromas. In addition, with low temperatures, the wine industry can have a better control of the bacterial community by the reduction of the growth of acetic and lactic acid bacteria and decreasing the production of volatiles compounds with negative organoleptic impact. However, fermentation at low temperature also presents some disadvantages such as reduced growth rate, long lag phases leading to stuck or sluggish fermentations. These problems can be avoided by selecting better-adapted yeasts to ferment at low temperature. In other biotechnological processes, like bioethanol production or cocoa fermentation, high temperatures (≥ 40º C) play an important key role. In these processes, yeasts are subjected to important stresses, like high ethanol levels, osmotic stress, presence of inhibitors and high temperatures. Improving yeasts strains to ferment at high temperatures could improve the yield of these processes, decreasing the time of the procedure or avoiding sluggish fermentations. In this study we have evaluated the growth of a collection of 59 Saccharomyces strains belonging to different environmental niches in order to improve some of these strains in terms of thermotolerance by using different genetic and metabolic engineering techniques. To carry out this objective, experimental evolution and inter- and intraspecific hybridization experiments were performed to generated non-GMO improved strains. The objective of this work is to improve strains in their thermotolerance by constructing hybrids between Saccharomyces strains (cryotolerant, thermotolerant and good fermenting strains) or by experimental evolution. The resulting hybrids will be thoroughly phenotyped by using different approaches (microvinifications in synthetic must, fermentations in cachaça must, liquid culture in 96-well plates, etc.) to find out which strains have evolved to a better adaptation at low and high temperatures during the fermentations.