Towards membrane engineering as a tool in cell factory design: A case study on acetic acid tolerance in Saccharomyces cerevisiae
Doktorsavhandling, 2017

The sustainable production of fuels, chemicals, and materials using renewable resources is a necessity if we are to reduce our ecological footprint and the rate of climate change. Lignocellulosic biomass, the major constituent of plant cell walls, is a renewable raw material with great potential due to its high abundance. The conversion of lignocellulosic material into desired products using micro­organisms is a promising option, although many microbial production processes fail to reach the titers required for process economy due to cellular inhibition. The inhibitory action of some compounds is related to the physiochemical properties of the cell membrane. Inhibitors may enter the cell by passive diffusion through the lipid bilayer of the cell membrane, or may inhibit cells by partition in the lipid bilayer, altering the membrane properties. The aim of the research described in this thesis was to evaluate the possibility of engineering the lipid composition of the cell membrane to create microbial cell factories with maintained production capacity when exposed to compounds whose mechanism of inhibition relates to the physio­chemical properties of the membrane. Attempts were made to increase the tolerance of Saccharomyces cerevisiae to the lignocellulose-derived inhibitor acetic acid, by engineering the cell membrane in order to reduce the rate of acetic acid diffusion. Studies of the acetic-acid-tolerant yeast Zygosaccharomyces bailii revealed that its high tolerance relies on its ability to remodel the cell membrane lipid composition so as to greatly increase the fraction of sphingolipids. Further evidence that sphingolipids reduce the rate of acetic acid diffusion was obtained by molecular dynamics simulations of model membranes with increasing fraction of sphingolipids. The lipid metabolism of S. cerevisiae was then engineered in an attempt to increase the fraction of sphingolipids in the cell membrane. However, sphingolipid synthesis was unchanged or decreased in these strains. The effect of sphingolipids on acetic acid tolerance in S. cerevisiae could therefore not be elucidated, but insight was gained into sphingolipid regulation. To understand the variation in membrane permeation, in particular the extent to which compounds partitioning in the cell membrane change the rate of acetic acid diffusion, the effects of ethanol and n-butanol were investigated. It was found that target titers in ethanol and n‑butanol production significantly increased the rate of acetic acid diffusion; n-butanol having a stronger effect than ethanol. Molecular dynamics simulations were then used to suggest mechanisms for the experimental observations.

butanol

inhibitors

lipidomics

Key words: Lignocellulose

Zygosaccharomyces bailii

molecular dynamics simulations

membrane permeability

carbon-14 uptake

ethanol

robustness

KA-salen Kemigårdern 4, Chalmers
Opponent: Prof. Michael Sauer, Department of Biotechnology, University of Natural Resources and Life Sciences, Austria

Författare

Lina Lindahl

Chalmers, Biologi och bioteknik, Industriell bioteknik

Sphingolipids contribute to acetic acid resistance in Zygosaccharomyces bailii

Biotechnology and Bioengineering,; Vol. 113(2016)p. 744-753

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Membrane engineering of S. cerevisiae targeting sphingolipid metabolism

Scientific Reports,; Vol. 7(2017)p. 41868-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Lindahl L, Genheden S, Faria-Oliveira F, Allard S, Eriksson LA, Olsson L, Bettiga M. Alcohols enhance the rate of acetic acid diffusion in S. cerevisiae: Biophysical mechanisms and implications for acetic acid tolerance

För att minska vår klimatpåverkan och vårt fossilberoende är det viktigt att samhället ställer om, och på ett hållbart sätt tillverkar de bränslen, kemikalier och material vi behöver. Att använda biomassa så som skogs- och jordbruksavfall istället för fossila råvaror är ett steg i rätt riktning. Genom att utnyttja mikroorganismer för att producera nödvändiga molekyler från biomassan minskar miljöavtrycket ytterligare, då processerna kan ske under milda reaktionsförhållanden. En begränsande faktor för utnyttjandet av biomassa som råvara för mikrobiell produktion, är förekomsten av ämnen som hämmar cellen och minskar dess produktivitet. Ett sätt att minska problemet är att utveckla tåligare mikroorganismer med hög produktivitet även under ogynnsamma förhållanden.

I min avhandling undersöker jag möjligheten att öka mikroorganismers tålighet genom att förändra deras yttre skyddande hölje, cellmembranet. Mer specifikt har jag undersökt hur lipidsammansättningen i cellmembranet kan designas för att minska genomsläppligheten av ättiksyra, en av flertalet inhiberande ämnen som frigörs då biomassa bryts ner till en råvara tillgänglig för mikroorganismen. För att lära mig vilken sammansättning av membranlipider som minskar ättiksyrans genomsläpplighet så har jag kvantifierat och jämfört lipidsammansättningen hos den industriellt relevanta jästen Saccharomyces cerevisiae med en annan jästart som har förmågan att växa i exempelvis vinäger, som till stor del består av ättiksyra. Genom denna jämförelse har jag identifierat en grupp av lipider som kallas sfingolipider och sedan visat att förekomsten av dessa lipider minskar membranets genomsläpplighet för ättiksyra. Vidare så har jag undersökt möjligheten att öka S. cerevisiae’s ättiksyratolerans genom att med hjälp av genteknik öka deras produktion av sfingolipider. Jag har också visat att biobränslet etanol som tillverkas av mikroorganismer kraftigt ökar cellmembranets genomsläpplighet för ättiksyra. Att förbättra mikroorganismers tålighet genom att förändra deras cellmembran är ett nytt forskningsfält och min avhandling presenterar metodik och tankesätt för detta. Design av cellmembran främjar utvecklingen av tåligare mikroorganismer och därmed användandet av miljövänligare produktionsmetoder för de molekyler vi behöver i samhället.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Cellbiologi

Industriell bioteknik

Biokemi och molekylärbiologi

Bioenergi

Biofysik

Mikrobiologi

Styrkeområden

Energi

Livsvetenskaper och teknik

ISBN

978-91-7597-552-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4233

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KA-salen Kemigårdern 4, Chalmers

Opponent: Prof. Michael Sauer, Department of Biotechnology, University of Natural Resources and Life Sciences, Austria