Metabolic engineering of sustainable branched chain unsaturated fatty acid production in Saccharomyces cerevisiae

Abstract

Os ácidos gordos e derivados são moléculas com crescente relevância biotecnológica e económica. A levedura Saccharomyces cerevisiae destaca-se como uma plataforma promissora para a produção de ácidos gordos em grande escala e especializados através de engenharia metabólica. Em particular, os ácidos gordos de cadeia média são essenciais para a síntese de capsaicinoides, alcaloides bioativos com propriedades anti-inflamatórias. Esta tese aborda a produção dos ácidos gordos que constituem os cap saicinoides em S. cerevisiae usando um sistema híbrido de síntese de ácidos gordos II (FASII) de origem bacteriana e Arabidopsis thaliana. O FASII é composto por polipéptidos individuais e monofuncionais, e uma tioesterase (TE) é responsável por libertar o ácido gordo do sistema, controlando o comprimento do ácido gordo livre. Nesta tese, o FASII foi coexpresso com quatro TEs de plantas, específicas para ácidos gordos de cadeia média. A maioria dos capsaicinoides, possui ácidos gordos de cadeia ramifi cada. Portanto, desenvolvemos um sistema para produzir os iniciadores ramificados da síntese usando desidrogenases de α-cetoácidos de cadeia ramificada (BCKDH). A atividade da BCKDH de Bacillus subtilis e Yarrowia lipolytica não foi observada, nem a complementação de fenótipos ao incorporar o complexo numa via de degradação de leucina ou de síntese de mevalonato. Os substratos lignocelulósicos, poten cial matéria-prima de combustível renovável e produtos químicos, contêm quantidades significativas do açúcar D-xilose. Para metabolizar D-xilose, clonamos em S. cerevisiae uma nova isomerase de D-xilose (XI) derivada de microorganismos do intestino do escaravelho que se alimenta de madeira Odontotae nius disjunctus. A expressão da nova XI resultou num crescimento aeróbico mais rápido do que a XI de Piromyces sp. E2 em meio com D-xilose. A nova XI apresentou atividade específica 2.6 vezes maior, um KM para D-xilose 37% menor e exibiu maior atividade numa gama de temperatura mais ampla, retendo 51% da atividade máxima a 30 ºC, em comparação com apenas 29% de atividade para a XI de Piromyces.

Fatty acids and their derivatives are molecules with growing biotechnological and economic relevance. The yeast Saccharomyces cerevisiae stands as a promising platform for the production of bulk and spe cialty fatty acids through metabolic engineering. In particular, medium-chain fatty acids are essential for the synthesis of capsaicinoids, a class of bioactive alkaloids with anti-inflammatory properties. This thesis addresses the production of the fatty acid moieties of the capsaicinoids in S. cerevisiae using a hybrid bacterial/Arabidopsis thaliana fatty acid synthase system II (FASII). The FASII consists of discrete, mono functional polypeptides and is thus easily customizable. A thioesterase (TE) is responsible for releasing the fatty acyl from the system controlling the length of the free fatty acid. Here, the FASII was co-expressed with four plant TEs specific for medium-chain acyls. Most capsaicinoids, including capsaicin, carry branched chain acyls. Hence, we also engineered a system for producing the branched starters of the synthesis by means of branched-chain α-keto acid dehydrogenases (BCKDH). The in vitro activity of the BCKDH from Bacillus subtilis and Yarrowia lipolytica could not be discerned, nor phenotype complementation by incorporating the complex into a leucine degradation pathway and a mevalonate synthesis pathway. Ligno cellulosic substrates, a primary source of potentially renewable fuel and bulk chemicals, contain significant amounts of the pentose sugar D-xylose. To confer S. cerevisiae the ability to metabolize D-xylose, a new D xylose isomerase (XI) derived from microorganisms in the gut of the wood feeding beetle Odontotaenius disjunctus was synthesized and cloned. Expression of the new XI resulted in faster aerobic growth than the XI from Piromyces sp. E2 on D xylose media. The newly described XI displayed 2.6 times higher spe cific activity, 37% lower KM for D xylose, and exhibited higher activity over a broader temperature range, retaining 51% of maximal activity at 30 °C compared with only 29% activity for the Piromyces XI.