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Type: TESE DIGITAL
Title: Aplicação de ferramentas de biologia de sistemas em levedura industrial para produção de bioetanol de segunda geração
Title Alternative: Application of systems biology tools in industrial yeast for second-generation bioethanol production
Author: Martins, Felipe Alonso, 1989-
Advisor: Pereira, Gonçalo Amarante Guimarães, 1964-
Abstract: Resumo: O Brasil é um dos líderes mundiais na produção de etanol, porém o país já enfrenta uma grande limitação imposta pela tecnologia de primeira geração. Assim, novas alternativas vêm sendo propostas, com destaque para a tecnologia de segunda geração, que consiste em utilizar os resíduos lignocelulósicos da cana-de-açúcar para a produção de etanol. Um dos maiores desafios dessa nova tecnologia é o desenvolvimento de uma levedura industrial capaz de produzir etanol a partir da xilose existente no material lignocelulósico. Apesar de estudos mostrarem resultados promissores na obtenção de etanol com micro-organismos naturalmente capazes de fermentar tanto hexoses (glicose) quanto pentoses (xilose), nenhum deles possui a mesma capacidade fermentativa, tolerância a etanol e robustez da S. cerevisiae. Logo, a modificação genética desta espécie para utilizar as vias metabólicas de assimilação de xiloses surge como um dos maiores desafios atuais para alavancar a produção de bioetanol no Brasil. A fim de tornar possível a fermentação de xilose por S. cerevisiae, é necessária a manipulação do seu genoma para a inserção de alguma via que permita a conversão de xilose em xilulose, sendo que são conhecidas duas vias capazes de realizar essa conversão: a via oxi-redutiva, composta pelas enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH), e a via da isomerização, composta pela enzima xilose isomerase (XI). Ambas apresentam limitações quando expressas em S. cerevisiae, a via oxi-redutiva apresenta um desequilíbrio nos cofatores das enzimas, o que provoca acúmulo de xilitol e limitação na produção de etanol. A via da isomerização não apresenta tal limitação, porém a enzima da xilose isomerase não possui atividade catalítica quando expressada em S. cerevisiae, provavelmente devido a incorreto enovelamento dessas proteínas. Neste trabalho foram utilizadas ferramentas de biologia de sistemas para simular modelos metabólicos em escala genômica de fermentação de xilose por S. cerevisiae, a fim de estudar o desequilíbrio de cofatores da via oxi-redutiva e identificar possíveis alvos de engenharia genética. As simulações foram realizadas utilizando a abordagem de análise de balanço de fluxo (FBA) que prediz, através de programação dinâmica, o máximo valor possível de uma determinada função objetivo (que normalmente representa a produção de biomassa) de um sistema linear com equações e restrições representando o fluxo de metabólitos em uma enzima. Também foram realizados trabalhos de mineração de sequências em bancos de dados públicos, na tentativa de encontrar xilose isomerases com potencial de terem uma atividade catalítica em S. cerevisiae, além de trabalhos de modelagem de proteínas por homologia, utilizando proteínas funcionais e não funcionais, a fim de identificar características estruturais que determinam sua funcionalidade em S. cerevisiae

Abstract:Brazil is a world leader in ethanol production, but the country is already facing a major limitation imposed by first-generation ethanol production technology. Thus, new alternatives are being proposed, notably the second-generation technology, which consists in use sugarcane lignocellulosic residues for ethanol production. One of the major challenges to this new technology is the development of a yeast capable of producing ethanol from the xylose present in the lignocellulosic material. Although studies showing promising results with microorganisms naturally capable of ferment both hexoses (glucose) and pentoses (xylose) sugars to ethanol, none of them has the same fermentative capacity, ethanol tolerance and robustness than S. cerevisiae. Therefore, the genetic modification of this species to insert metabolic pathways to consume xylose appears as one of the biggest current challenges to boost the bioethanol production in Brazil. In order to make possible the xylose fermentation by S. cerevisiae, the insertion of some pathway that converts xylose to xylulose is necessary, being that two pathways are known as capable of performing this conversion: the oxido-reductase pathway, formed by the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH), and the isomerase pathway, formed by the enzyme xylose isomerase (XI). Both pathways present limitations when expressed in S. cerevisiae, the oxido-reductase pathway has a problem related to cofactor imbalance of its enzymes, what causes xylitol accumulation and limitation in ethanol production. The isomerase pathway does not show this limitation, but even so, the enzyme xylose isomerase does not present catalytic activity when expressed in S. cerevisiae, probably due to incorrect folding of this protein. In this work, systems biology tools were used to simulate xylose fermentation in genome-scale metabolic models of S. cerevisiae, in order to study the cofactors imbalance of the oxido-reductase pathway and identify possible genetic engineering targets. The simulations were performed with flux balance analysis (FBA) approach, that predicts, with dynamic programming, the maximum value possible of a defined objective function (which usually represents the biomass production) of a linear system with equations and restrictions representing the metabolic flux through an enzyme. In addition, data mining in public databases was done in attempt to find xyloses isomerases with potential to have catalytic activity in S. cerevisiae, besides works of protein homology modeling based on functional and non-functional proteins in order to identify structural features that define its functionality in S. cerevisiae
Subject: Saccharomyces cerevisiae
Xilose
Etanol 2G
Bioinformática
Biologia de sistemas
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:IB - Dissertação e Tese

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