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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.11.2012.tde-20092012-084510
Document
Author
Full name
Natalia Alexandrino
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2012
Supervisor
Committee
Basso, Luiz Carlos (President)
Gomes, Luiz Humberto
Lopes, Mario Lucio
Title in Portuguese
Melhoramento de leveduras para fermentação com alto teor alcoólico mediante hidridação e evolução adaptativa
Keywords in Portuguese
Etanol
Evolução adaptativa
Fermentação alcoólica
Hibridação
Leveduras
Abstract in Portuguese
O etanol contribui significativamente para que a matriz energética do país se apresente extremamente favorável quanto à participação da energia renovável. A demanda por este biocombustível é crescente e tecnologias que permitam a sua produção de forma sustentável é de suma importância, como a fermentação com alto teor de etanol, já empregada em alguns países. Linhagens de leveduras com tolerância a múltiplos estresses muito contribuíram para a implantação de tal tecnologia no Brasil. Neste contexto se insere o presente trabalho, o qual busca linhagens de leveduras capazes de suportar os estresses impostos por uma fermentação com alto teor alcoólico. Para tal, 3 entre as melhores linhagens industriais de Saccharomyces cerevisiae atualmente disponíveis (CAT-1, PE-2 e SA- 1), foram utilizadas num programa para a seleção de híbridos para tolerância múltipla aos estresses etanólico, osmótico, ácido, além de outros, inerentes à fermentação com alto teor de etanol. Estas linhagens foram esporuladas e dissecadas para obtenção de células haplóides, as quais foram submetidas a cruzamentos entre- e intra-linhagens. Foram conduzidos cruzamentos massais (aleatórios) cujos produtos foram submetidos à evolução adaptativa em meios com os fatores estressantes em intensidades crescentes no transcorrer de 80 gerações. Ao final da evolução buscou-se variantes prevalentes na população de híbridos, os quais foram submetidos a novos procedimentos seletivos com imposições de várias condições estressantes. Igualmente foram conduzidos cruzamentos direcionados entre haplóides mediante micromanipulação, sendo tais híbridos submetidos ao mesmo procedimento seletivo nos meios estressantes. Assim, a partir de 230 haplóides das 3 linhagens, 174 isolados (120 oriundos dos cruzamentos massais e 54 dos cruzamentos direcionados) foram pré-selecionados pela maior tolerância aos meios seletivos, tendo os seus cariótipos estabelecidos mediante a cariotipagem eletroforética. Os isolados com maior tolerância (27) foram novamente avaliados em fermentações com reciclo de células e sob condições de elevado teor alcoólico (até 14,5% v/v) em mosto de melaço e água. Em todas as etapas da seleção os isolados foram comparados com as linhagens parentais (CAT-1, PE-2 e SA-1), sendo que ao final do processo seletivo destacou-se a linhagem 35B (híbrido entre CAT-1 e PE-2) com atributos fermentativos superiores aos exibidos pelos parentais. Tais atributos fermentativos contemplaram parâmetros bioquímicos, fisiológicos e tecnológicos (rendimento em etanol, viabilidade celular, crescimento em biomassa, formação de glicerol e teores celulares de carboidratos de reserva glicogênio e trealose). Os resultados permitem sugerir que devido às características fermentativas desejáveis do híbrido 35B, o mesmo possa ser empregado no processo industrial para ser avaliado como uma promissora linhagem a conduzir a fermentação com alto teor alcoólico.
Title in English
Yeast improvement for high ethanol content fermentation by hybridization and adaptive evolution
Keywords in English
Adaptative evolution
Ethanol yield
High ethanol content fermentation
Hybrids
Saccharomyces cerevisiae
Abstract in English
Ethanol contributes significantly to the energy country matrix, which presents itself as extremely favorable to the share of renewable energy. The demand for this biofuel is increasing and technologies for its production in a sustainable way is of paramount importance such as fermentation with very high gravity, already used in some countries. Yeast strains tolerant to multiple stresses greatly contributed to the deployment of such technology in Brazil. In this context the present work is inserted, which seeks yeast strains capable of withstanding the stresses imposed by high ethanol content fermentation. In order that, three of the best industrial strains of Saccharomyces cerevisiae currently available (CAT-1, PE-2 and SA-1), were used in a program to select hybrids with tolerance towards multiples stresses: ethanolic, osmotic and acid, besides other factors involved in a high ethanol content fermentation. These strains were sporulated and dissected to obtain haploid cells, which were submitted to inter- and intra-strains crossings. Hybrids from polycrossings (random crossings) were subjected to an adaptative evolution in media with increasing stressing action over the course of 80 generations. At the end of evolution, prevalent variants were sought in the hybrids population, and submitted to new selective procedures with several stressing conditions. In the same way, directed crossings (between identified haplois) were performed by micromanipulation, and the resulting hybrids were subjected to the same selective procedure. Therefore, from 230 haploid from the 3 parent strains, 174 were isolated (120 from polycrossings and 54 from directed crossings) and pre-selected for higher tolerance in selective media; moreover their karyotypes were established by electrophoretic karyotyping. Strains showing greater tolerance (27) were again evaluated during cell recycling fermentations with high ethanol content (up to 14.5% v/v) using must formulated with water and molasses. At all stages, the isolates were compared with the parental strains (CAT-1, PE-2 and SA-1), and at the end of the selection process, the strain 35B (hybrid between CAT-1 and PE-2) standed out with fermentative attributes higher than the parentals. The fermentative performance was assessed by biochemical, physiological and technological parameters (ethanol efficiency, cell viability, biomass gain, glycerol formation and cellular levels of reserve carbohydrates - glycogen and trehalose). The results suggest that due to desirable fermentation traits, the hybrid 35B, could be used as starter in industrial fermentation process with high ethanol content.
 
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Publishing Date
2012-10-02
 
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