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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.105.2021.tde-09092021-145727
Document
Author
Full name
Laís Albuquerque Giraldi
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2021
Supervisor
Committee
Winck, Flavia Vischi (President)
Daloso, Danilo de Menezes
Lombardi, Ana Teresa
Rocha, Rafael Silva
Title in Portuguese
Análise integrativa de proteômica, metabolômica e lipidômica para estudo da acumulação de lipídios neutros na microalga Chlamydomonas reinhardtii
Keywords in Portuguese
Biologia de sistemas
Dados ômicos
Microalgas
Triacilglicerol
Abstract in Portuguese
As microalgas, graças à sua rica composição química com alto teor de óleos, proteínas, carboidratos, pigmentos, minerais e vitaminas, apresentam grande potencial como matéria-prima para a produção sustentável em diversos setores comerciais como por exemplo, biocombustíveis, fármacos, agrícola, alimentação e pigmentos. Devido à busca por redução das emissões dos gases do efeito estufa e à alta capacidade de acumularem lipídios neutros, as microalgas têm conquistado um grande interesse na última década no setor de bioenergia para produção de biodiesel. Entretanto, em geral, as altas concentrações de lipídios neutros e a alta produtividade de biomassa são inversamente correlacionados, portanto, melhorias genéticas e de etapas de bioprocessos são necessários para tornar o uso da biomassa microalgal viável e comercialmente competitivo. A condição ambiental que mais contribui para um aumento de lipídios neutros, tais como triacilgliceróis (TAGs), é a privação do nitrogênio (N). Nesta condição, as células são induzidas a uma fase de quiescência celular onde as divisões celulares são interrompidas e os níveis de TAGs aumentam dentro das células. Além de estudos de otimização de cultivos, estudos anteriores utilizaram estratégia de superexpressão e inativação de genes específicos de vias metabólicas da biossíntese de TAGs e de amido visando o aumento da produção TAGs. Entretanto, estes estudos demonstraram que as estratégias de otimização ainda são caras e que, o aumento de TAGs obtidos pela mutação de um ou poucos genes não levou a produtividade de TAGs esperada de forma sustentável. Diante deste cenário, uma abordagem de biologia de sistemas usando dados "ômicos" é essencial para gerar informações e compreender os mecanismos envolvidos com a acumulação de TAGs nas microalgas. Portanto, o objetivo do estudo foi investigar através de uma abordagem integrativa de dados ômicos, o acúmulo de TAGs em resposta à privação de N em condição fotoautotrófica em Chlamydomonas reinhardtii. Experimentos em séries temporais (com 10 pontos de tempo) foram realizados a fim de detectar alterações no proteoma, metaboloma e lipidoma. Além disso, o proteoma nuclear foi investigado à procura de proteínas regulatórias. Através da análise sistemática e integrativa dos dados "omicos", juntamente com as observações fisiológicas, verificou-se que, nas condições testadas, o acúmulo de TAGs é resultado da regulação de diversas vias em conjunto. As vias metabólicas de gluconeogênese, processo de geração de ATP, reação de luz na fotossíntese e processo biossintético de Arg mostraram-se ser centralizadoras na resposta à pivação de N. Ademais, verificou-se que a maior contribuição para o acúmulo de TAGs nas condições testadas foi, provavelmente, o remodelamento de lipídios de membrana. Os resultados do proteoma nuclear revelaram que uma proteína fator de transcrição (Tubby-like protein) pode ser um regulador negativo de proliferação celular. Além disso, sugeriu-se, a partir de uma metanálise com dados de trascriptoma de outros estudos, que a alteração na via de Arg aparentemente não é exclusiva da limitação de N, sendo também regulada positivamente sob outros tipos de estresse. Portanto, pudemos concluir que os objetivos do presente estudo foram alcançados e seus achados expandiram o atual conhecimento sobre os mecanismos moleculares que levam ao acúmulo de TAGs em C. reinhardtii em condição fotoautotrófica.
Title in English
Integrative analysis of proteomics, metabolomics and lipidomics to study the accumulation of neutral lipids in the microalgae Chlamydomonas reinhardtii
Keywords in English
Microalgas
Omics data
System biology
Triacylglycerol
Abstract in English
As microalgae have a rich chemical composition, with a high content of oils, proteins, carbohydrates, pigments, minerals and vitamins, they have a high potential as raw material for sustainable production in various commercial sectors such as biofuels, pharmaceuticals, agriculture, food and pigments. Due to the greenhouse gas emissions reduction goes and the high capacity to accumulate neutral lipids, microalgae have gained interest by the bioenergy sector in the last decade, in order to produce biodiesel. However, in general, high neutral lipid concentrations and high biomass productivity are inversely correlated, therefore, genetic and bioprocess improvements are needed to make the microalgal biomass usage viable and commercially competitive. The environmental condition that most contributes to an increase in neutral lipids, such as triacylglycerols (TAGs), is the nitrogen (N) starvation. In this condition, cells are induced into a cell quiescence phase which cell divisions are stopped and TAGs levels increase inside the cells. In addition to cultivation optimization studies, previous studies also used the strategy of gene overexpression and inactivation involved in TAGs and starch biosynthesis aiming to increase the TAGs production in the cells. However, these studies demonstrated that optimization strategies are still expensive and, the alteration of one or a few genes did not lead to the expected TAG productivity in a sustainable way. Given this scenario, a systems biology approach using "omics" data is essential to generate information and understand the mechanisms involved with the accumulation of TAGs in microalgae. Therefore, the aim of the study was to investigate, through an omics data integrative approach, the accumulation of TAGs in response to N starvation in photoautotrophic condition in Chlamydomonas reinhardtii. Time series experiments (with 10 time points) were performed to detect alterations in the proteome, metabolome and lipidome. Furthermore, the nuclear proteome was investigated looking for regulatory proteins. Through the systematic and integrative analysis of the "omics" data, together with the physiological observations, it was found that, under the conditions tested, the TAGs accumulation is a result of several pathways regulation together. The metabolic pathways of gluconeogenesis, ATP generation process, light reaction in photosynthesis and Arg biosynthetic process were shown to be central in the response to N starvation. Furthermore, it was found that, under the tested conditions, the higher contribution to TAGs accumulation was probably membrane lipid remodeling. The nuclear proteome results revealed that a transcription factor protein (Tubby-like protein) may be a negative regulator of cell proliferation. In addition, based on the meta-analysis performed using trascriptomes data from other studies, it was suggested that the alteration in the Arg pathway apparently is not exclusive of the N starvation response, being also upregulated under other types of stress. Therefore, we could conclude that the objectives of the present study were achieved, and its findings expanded the current knowledge about the molecular mechanisms that lead to the accumulation of TAGs in C. reinhardtii under photoautotrophic condition.
 
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Publishing Date
2021-09-10
 
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