Cellular Processes and Mechanisms in Saccharomyces cerevisiae Influencing Anaerobic Xylose Fermentation

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Ett viktigt steg i strävan att ersätta fossila bränslen med biobränslen är ett effektivt utnyttjande av förnyelsebar lignocellulosa. Råmaterialet är restprodukter från skogs- och jordbruksindustrin och består bl. a. av komplexa kolhydrater som cellulosa. Efter nedbrytning till enkla sockermolekyler kan dessa omvandlas till bioetanol genom jäsning. Sockret som extraheras från vissa lignocellulosa material består upp till 30% av xylos. Xylos är en sockermolekyl med fem kolatomer och för en ekonomiskt lönsam process krävs fullständig förjäsning av xylos till etanol. Kol är den grundläggande byggstenen i alla biologiska molekyler. Alla sockerarter, även xylos, är både viktiga energikällor och kolkällor. Vid produktion av bioetanol används vanligtvis bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae. Tyvärr saknar S. cerevisiae flera gener som behövs för att tillgodogöra sig xylos. Under de senaste 20 åren har nya jäststammar utvecklats genom att introducera dessa gener i S. cerevisiae. En stor del av utvecklingsarbetet har lagts på att öka upptagningshastigheten av xylos och utbytet av etanol. Produktionshastigheten av etanol från xylos är dock fortfarande mycket lägre än den som erhålls vid jäsning av socker med sex kolatomer, som t.ex. glukos. Målet med arbetet som presenteras i denna avhandling var att öka produktiviteten av etanol vid jäsning av glukos och xylos tillsammans. Tillväxten av jästceller har stort inflytande på etanolproduktiviteten. De jäststammar som finns idag växer tämligen dåligt på xylos. Många av de signaler som jästcellen använder för att reglera tillväxten beror på förändringar i koncentrationen av små molekyler inne i cellen, s.k. metaboliter. För att förstå xylos-metabolismen undersökte jag hur koncentrationer av metaboliter förändras vid jäsning av xylos och jämförde dessa med förändringar som sker vid jäsning av glukos. I mitt arbete dentifierade och utvärderade jag cellulära processer och mekanismer som krävs för celltillväxt. Arbetet gav upphov till en ny hypotes: den långsamma tillväxten på xylos kan bero på begränsningar i veckningen av proteiner inuti i cellen. En essentiell process som ger proteinerna deras aktiva form. Hexokinas 2 (Hxk2p) är ett bi-funktionellt protein som deltar i regleringen av processer specifika för produktionen av etanol. Enzymet inaktiveras av xylos med minskad kontroll som följd. Genom att kombinera metoder för att modifiera proteiner och mikroorganismer med jäsningsteknologi har jag identifierat en mutation i HXK2-genen som gör enzymet mindre känsligt för xylos. Det muterade enzymet medförde snabbare konsumtion av glukos i närvaro av xylos, men hade ingen uppenbar effekt på jäsningen av xylos. Det innebär att Hxk2p inte agerar på egen hand och att andra proteiner också påverkar regleringen. Vilka dessa proteiner är återstår att utforska. I min avhandling har jag sammanfattat min kunskap om de ntracellulära signaler som uppkommer vid jäsning av xylos. Jag visar också hur jag har använt dessa signaler för att identifiera biokemiska processer som potentiellt begränsar förmågan hos S. cerevisiae att växa på kol- och energikällan xylos.