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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Genômica comparativa de cepas de Saccharomyces cerevisiae produtoras de etanol
Title Alternative: Comparative genomics of Saccharomyces cerevisiae ethanol-producing strains
Author: Coutouné, Mirta Natalia, 1989-
Advisor: Oliveira, Juliana Velasco de Castro
Abstract: Resumo: As crescentes mudanças na matriz energética mundial vêm sendo discutidas mundialmente e apontam o aquecimento global como o principal causador das mudanças climáticas. Existe um consenso de que uma das formas de diminuir este fenômeno é a substituição do uso de combustíveis fósseis por biocombustíveis, como o etanol. Atualmente, o etanol é obtido a partir da fermentação dos açúcares extraídos principalmente da cana-de-açúcar (Brasil) e do milho (EUA), sendo de fundamental importância entender os gargalos na produção deste biocombustível nas destilarias brasileiras para melhorar a produtividade do setor. Entre os desafios biotecnológicos mais importantes a serem superados pode-se citar a seleção e melhoramento de cepas de leveduras capazes de resistir às condições estressantes do processo fermentativo, como por exemplo, o estresse osmótico, altas concentrações de etanol e temperatura, entre outros. Assim, o presente trabalho pretende contribuir aumentando o conhecimento, a nível genômico, das cepas produtoras de etanol, visando associar as características fenotípicas desejáveis a genes de interesse nestas cepas industriais, através de análises de genômica comparativa. Para isso, neste trabalho foi realizado o sequenciamento da cepa Barra Grande (BG-1) e foram selecionadas 14 cepas industriais, proveniente de bancos de dados públicos, para realizar as análises comparativas. O sequenciamento e montagem da cepa BG-1 apresentou uma boa qualidade, com tamanho de cerca de 12 Mbp, conteúdo GC de 38,5%, com uma completeza genômica de 98%, onde possíveis rearranjos cromossômicos foram verificados. Em relação a genômica comparativa, as análises filogenômicas mostraram que algumas cepas se agrupam em ramos de acordo com a origem geográfica, como já reportado na literatura, mas que outras se agrupam segundo o tipo de biomassa fermentada. Neste sentido, as cepas laboratoriais, por terem uma origem americana, se agrupam próximo às brasileiras, em um ramo distante das industriais europeias e asiáticas. A busca de SNPs revelou que a diversidade e quantidade de polimorfismos não sinônimos nas cepas industriais é muito elevado em relação à cepa de referência, S288C. A anotação desses SNPs mostrou que os processos que se encontram mais representados são os de sinalização e transporte celular. As análises de aumento de número de cópias gênica apontam para vários genes envolvidos em aumento de tolerância aos processos industriais. A avaliação dos genes com evidência de seleção positiva revelou que existem alterações em regiões importantes para a funcionalidade de proteínas relevantes durante estresse celular. Por fim, análises do genoma mitocondrial mostraram que três cepas brasileiras apresentaram genoma reduzido, com ausência de regiões intergênicas. Neste trabalho foram identificados potenciais genes que poderiam contribuir com o fenótipo das cepas industriais brasileiras, as quais apresentam um bom desempenho fermentativo mesmo sob as condições do processo de produção de etanol. Apesar de seu caráter exploratório, futuras avaliações em laboratório deverão ser feitas para validar estes candidatos, visando o desenvolvimento de cepas mais robustas

Abstract: The ongoing changes in the world energy matrix have been repeatedly discussed in the United Nations meetings, addressing the global warming as the main cause of climate change. There is a consensus that one way of contributing to the reduction of the phenomenon is the gasoline substitution for biofuels, such as ethanol. Currently, ethanol is obtained from the fermentation of sugars extracted mainly from sugarcane (Brazil) and corn (USA), two crops that are also used as food. Thus, it is of fundamental importance to understand the bottlenecks in the production of first and second generation ethanol (1G and 2G) in the Brazilian distilleries to improve the productivity of the sector. Among the most important biotechnology challenges to be overcome is the selection and improvement of yeast strains capable to resist the stressing conditions of the fermentation process. Among them, can mentioned the tolerance to high temperatures, high sugar and ethanol concentration, inhibitors such as weak acids and leached metals. In order to be able to associate these desirable phenotypic trait to genes of interest in tolerant strains, one of the objectives of this work was to use comparative genomic analyzes, which helped in comparing the complete genomes of different strains. For this, 14 industrial strains were selected from public databases, to perform comparative genomic analyzes, including a strain sequenced, assembled and annotated in the present study, the yeast Barra Grande 1 (BG-1). Sequencing and assembly of the BG-1 strain showed a good quality with a size of ~12 Mbp, GC content of 38.5%, a genomic completeness of 98%, where possible chromosomal rearrangements were verified. The phylogenomic analysis showed that some strains are grouped in branches according to the geographical origin, as reported in the literature, but others are grouped according to the type of fermented biomass. In this way, the laboratory strains, because they have an American origin, are grouped next to the Brazilian ones, in a branch far from the European and Asian industrialists. The search for SNPs revealed that the diversity and amount of non-synonymous polymorphisms in industrial strains is very high relative to the reference strain, S288C. The annotation of these SNPs showed that the processes that are most represented are those of signaling and cellular transport. Gene copy number analyzes point to several genes involved in increased tolerance to industrial processes. The evaluation of genes with evidence of positive selection revealed that there are alterations in regions important for the functionality of relevant proteins during cell stress. Finally, analyzes of the mitochondrial genome showed that three Brazilian strains presented reduced genome, with absence of intergenic regions. In this work, we identified potential genes that could contribute to the phenotype of the Brazilian industrial strains, which present a good fermentation performance even under the conditions of the ethanol production process. Despite its exploratory character, future laboratory evaluations should be done to validate these candidates, aiming the development of more robust strains
Subject: Etanol - Produção
Genômica comparativa
Saccharomyces cerevisiae
Cepas
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: COUTOUNÉ, Mirta Natalia. Genômica comparativa de cepas de Saccharomyces cerevisiae produtoras de etanol. 2018. 1 recurso online (216 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IB - Tese e Dissertação

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