Design of yeast strains with increased sugar affinity for improved industrial performance

Research Project, 2017 – 2021

Risken för katastrofala klimatförändringar kräver att mänskligheten går över till fossilfria bränslen. Globalt utgör etanol hittills 2 % av allt fordonsbränsle medan andelen är 5 % i Sverige. För att möta det nuvarande behovet i Skandinavien så importeras en del av råvaran för etanolproduktion. Ifall etanolproduktionen i Sverige ska klara av att bli självförsörjande så krävs det processen blir betydligt mer resurseffektiv. Tills helt nyligen antogs det att vanlig bryggjäst (Saccharomyces cerevisiae) stod för all etanolproduktion inom bränslesektorn. År 2007 isolerades en annan jästsvamp vid namn Dekkera bruxellensis i två etanolfabriker – en i Sverige och en i Brasilien. I båda fallen hade D. bruxellensis konkurrerat ut S. cerevisiae helt och hållet. Än så länge finns det ingen statistik på hur vanligt detta fenomen är och hur stort problem det är för den globala etanolindustrin. Kontamination med oönskade mikrober utgör ett stort problem inom industriella fermentationer eftersom dessa kontaminanter konkurrerar om samma näringsämnen och råvara som produktionsorganismen. I vissa fall kan kontaminanterna producera biprodukter som kan leda till att stora mängder odlingsmedium måste kasseras med stor förlust av pengar och tid. Industriella fermentationer använder sig därför ofta av tuffa odlingsförhållanden (t.ex. näringsbegränsning, syrebrist, surt pH, hög temperatur) för att minska risken för att kontaminanter ska få ett fotfäste.

Hur lyckades då D. bruxellensis konkurera ut S. cerevisiae helt och hållet i de två etanolfabrikerna? Detta fenomen har undersökts på Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU) sedan det upptäcktes 2007. Båda etanolfabrikerna använde ett kontinuerligt odlingssystem där celler återförs till jäsningstanken. Detta odlingssätt ger processen hög effektivitet med högre etanolproduktion och mindre jästbiomassa samt lägre vattenanvändning. Det visade sig att D. bruxellensis endast kan konkurrera ut S. cerevisiae om odlingen sker i ett kontinuerligt system med begränsad tillgång på socker. Om det å andra sidan finns ett överflöd av socker i processen så kommer S. cerevisiae att dominera. Detta tyder på att D. bruxellensis har en mycket högre affinitet för socker än S. cerevisiae, vilket då skulle bli ett avgörande evolutionärt övertag vid låga sockerkoncentrationer. Detta projekt syftar till att testa denna hypotes.

Projektet syftar till att identifiera den genetiska (och därmed den fysiologiska) mekanismen bakom D. bruxellensis övertag och är ett samarbete mellan SLU och forskningsinstitutet VTT i Esbo, Finland. Genomet från den stam av D. bruxellensis som ursprungligen isolerades i den svenska etanolfabriken sekvenserades nyligen av forskare på SLU. Genomsekvensen från denna stam kommer att användas för att identifiera kandidatgener som kan ligga bakom D. bruxellensis förmåga att konkurrera ut S. cerevisiae. Vi antar att gener som kodar för transportproteiner med hög affinitet för socker kommer att tillhöra nyckelgenerna bakom denna förmåga. Kandidatgenerna kommer sedan att testas genom att de flyttas över till S. cerevisiae genomet mha genetisk modifiering. De modifierade S. cerevisiae stammar som har fått transportprotein från D. bruxellensis kommer sedan att testas för sin affinitet för socker. Samtliga modifierade S. cerevisiae stammar kommer att testas i tävlingsförsök gentemot icke-modifierad S. cerevisiae. Gener från D. bruxellensis med kommer även att infogas i industriella S. cerevisiae stammar och testas i tävlingsförsök mot D. bruxellensis. Projektet kommer också att genomföra en kemisk analys av intracellulära metaboliter i D. bruxellensis för att undersöka om detta bidrar till dess konkurrenskraft.

Projektet kommer att öka vår förståelse för D. bruxellensis fysiologi som en vanligt förekommande kontaminant inom etanolproduktion. Detta kan bidra till utveckling av bättre och mer förutsägbara processer genom att minska risken för kontamination och göra industriella fermentationer ekonomiskt hållbara. Dessutom förväntas projektet bidra till utvecklingen av bättre och mer konkurrenskraftiga S. cerevisiae stammar för industriella processer.