Effect of Trehalose and Glycerol on the Resistance of Recombinant Saccharomyces cerevisiae Strains to Desiccation, Freeze-thaw and Osmotic Stresses

Abstract

Introduction. Baker's yeast Saccharomyces cerevisiae has been used for manufacturing bakery products, food and feed supplements, alcoholic fermentation etc. In biotechnological processes, yeast cells are exposed to stress factors (high concentration of sugars and ethanol, high temperature, desiccation or freezing etc.), which negatively affects their viability. Yeasts possess certain stress protection systems, including increased accumulation of disaccharide trehalose and glycerol synthesis. Problem Statement. The strengthening of yeast protective systems by increasing glycerol or trehalose concentrations can help to get increased stress robustness of the S. cerevisiae strains. Purpose. To construct the recombinant strains of S. cerevisiae with increased trehalose accumulation or glycerol production and to estimate the obtained recombinant strains resistance to a range of stress factors. Materials and Methods. S. сerevisiae transformation has been performed using Li-Ac-PEG method. Alcoholic fermentation has been carried out at a temperature of 30 °C with stirring at a rate of 120 rpm. Results. The recombinant strains of S. cerevisiae with enhanced glycerol production (up to 19 g/L) have been constructed based on BY4742. The industrial ethanol-producing strain Y-563 has been used as parental one for construction of recombinant strains with up to 3.3-fold increase in the intracellular trehalose level. The resistance of obtained recombinant strains to different stress factors has been evaluated. BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 strain with the highest glycerol production has been established to have the highest osmotolerance. The BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/TSL1, 563/TPS1/2 and 563/TPS1/2/TSL1 strains have shown higher viability after freeze-thaw as compared with the corresponding parental strains, but not higher resistance to desiccation. The recombinant strain 563/TPS1/2/TSL1 with a high trehalose content have been established to have higher activity during fermentation of sugar in sweet dough and to longer keep stable at 35 °С as compared with the initial strain Y-563. Conclusions. Constructed recombinant strains of S. cerevisiae with higher osmotolerance or freeze-thaw resistance can be implemented in industrial processes accompanied with these types of stresses. Baker's yeast made of high trehalose- containing biomass will have prolonged shelf life.

Вступ. Пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae використовують у виробництві хлібобулочних виробів, харчових та кормових добавок, алкогольній ферментації тощо. У біотехнологічних процесах клітини дріжджів зазнають дії значної кількості стресових факторів (висока концентрація цукру та етанолу, підвищена температура, висушування або заморожування тощо), що негативно впливає на їх життєздатність. Дріжджі володіють певними системами захисту від стресу, зокрема накопичення дисахариду трегалози та продукування гліцерину. Проблематика. Посилення дії захисних систем дріжджів шляхом збільшення концентрації гліцерину або трегалози може надати більшої стресостійкості штамам S. cerevisiae. Мета. Конструювання рекомбінантних штамів S. cerevisiae з підвищеним рівнем накопичення трегалози або продукування гліцерину та оцінка стійкості отриманих штамів до низки стресових факторів. Матеріали й методи. Трансформацію S. cerevisiae здійснювали методом Li-Ac-PEG. Алкогольну ферментацію здійснювали при температурі 30 °С при перемішуванні зі швидкістю 120 об/хв. Результати. На основі штаму S. cerevisiae BY4742 було сконструйовано рекомбінантні штами з підвищеним рівнем продукування гліцерину (до 19 г/л). На основі промислового штаму Y-563 як продуцента етанолу було сконструйовано рекомбінантні штами з підвищеним в 3,3 рази внутрішньоклітинним вмістом трегалози. Визначено резистентність отриманих рекомбінантних штамів до різних стресових факторів. Штам BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 з найвищим рівнем продукції гліцерину виявляв найвищу осмотолерантність. Штами BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/ TSL1, 563/TPS1/2 та 563/TPS1/2/TSL1 характеризувалися підвищеною життєздатністю після заморожування- розморожування порівняно з батьківськими штамами, проте не виявляли вищої стійкості до висушування. Рекомбінантний штам 563/TPS1/2/TSL1 з високим вмістом трегалози виявляв вищу активність при зброджуванні цукру в здобному тісті та довше зберігав життєвість при 35 °С, порівняно з батьківським штамом Y-563. Висновки. Сконструйовані рекомбінантні штами S. cerevisiae можуть бути використані в промислових процесах, що супроводжуються заморожуванням-розморожуванням клітин дріжджів або високим осмотичним тиском у культуральному середовищі. Хлібопекарські дріжджі з підвищеним внутрішньоклітинним вмістом трегалози мають більш тривалий термін зберігання.

Введение. Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используют при изготовлении хлебобулочных изделий, пищевых и кормовых добавок, алкогольной ферментации и т.д. В биотехнологических процессах клетки дрожжей подвергаются действию значительного количества стрессовых факторов (высокая концентрация сахара и этанола, повышенная температура, высушивание или замораживание и прочие), что отрицательно влияет на их жизнеспособность. Дрожжи владеют определенными системами защиты от стресса, в частности накопление дисахарида трегалозы и продуцирование глицерина. Проблематика. Усиление действия защитных систем дрожжей путем увеличения концентрации глицерина или трегалозы может способствовать большей стрессоустойчивости штаммов S. cerevisiae. Цель. Конструирование рекомбинантных штаммов S. cerevisiae с повышенным уровнем накопления или продуцирования глицерина, а также оценка устойчивости полученных штаммов к ряду стрессовых факторов. Материалы и методы. Трансформацию S. cerevisiae выполняли методом Li-Ac-PEG. Алкогольную ферментацию проводили при температуре 30 °С при перемешивании со скоростью 120 об/мин. Результаты. На основании штамма S. cerevisiae BY4742 были сконструированы рекомбинантные штаммы с повышенным уровнем продуцирования глицерина (до 19 г/л). На основании промышленного штамма Y-563 как продуцента этанола было сконструировано рекомбинантные штаммы с повышенным в 3,3 раза внутриклеточным содержанием трегалозы. Определено резистентность полученных рекомбинантных штаммов к различным стрессовым факторам. Штамм BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 с наивысшим уровнем продуцирования глицерина, имел наивысшую осмотолерантность. Штаммы BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/TSL1, 563/TPS1/2 и 563/TPS1/2/TSL1 имели повышенную жизнеспособность после замораживания-размораживания по сравнению с родительскими штаммами, но не проявляли большей стойкости к высушиванию. Рекомбинантный штамм 563/TPS1/2/TSL1 с высоким содержанием трегалозы проявлял более высокую активность при брожении сахара в сдобном тесте и дольше сохранял жизнеспособность при 35 °С, по сравнению с родительским штаммом Y-563. Выводы. Сконструированные рекомбинантные штаммы S. cerevisiae могут использоваться в промышленных процессах, которые сопровождаются замораживанием-размораживанием клеток дрожжей или высоким осмотическим давлением в культуральной среде. Хлебопекарские дрожжи с повышенным внутриклеточным содержанием трегалозы имеют более длительный срок хранения.