Physiology of oxygen consumption by an industrial strain of saccharomyces cerevisiae under enological fermentation conditions.
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Date
2013
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Abstract
Las adiciones discretas de oxígeno juegan un papel crítico en el proceso de fermentación del vino. Sin embargo, hasta ahora, no se han llevado a cabo estudios de biología de sistemas, acerca de cómo el oxígeno modifica el metabolismo de la levadura vínica bajo condiciones de fermentación vínica. Proponemos aquí la primera aproximación sistémica para el entendimiento cuantitativo del impacto del oxígeno sobre la fisiología de la levadura vínica, bajo condiciones enológicas. Para este fin, los efectos del oxígeno disuelto en el transcriptoma, fluxoma y metabóloma sobre la fisiología de la levadura vínica fueron evaluados. Simulamos el rango de concentraciones de oxígeno que se producen después de un remontaje enológico, burbujeando cultivos continuos limitados en nitrógeno con mezclas gaseosas oxígeno-nitrógeno, para alcanzar concentraciones crecientes de oxígeno en estado estacionario. Cuando el oxígeno disuelto aumenta desde 1.2 a 2.7 mM (20 ºC), el metabolismo de la levadura cambia desde totalmente fermentativo a mixto respiro-fermentativo. Esta transición se caracteriza por un cambio en la operación de ciclo del ácido tricarboxílico y el aumento del transporte de NADH desde el citosol a la mitocondria. Sin embargo, la producción fermentativa de etanol sigue siendo el principal sumidero del NADH citosólico para todas las condiciones con oxígeno, sugiriendo la limitación de la reoxidación mitocondrial de NADH como la principal causa del efecto Crabtree, en lugar de la represión por glucosa. Esto es reforzado por la inducción de varios genes respiratorios clave por oxígeno, a pesar de la alta concentración de azúcar.Por otro lado, simulamos las típicas operaciones enológicas de adición de oxígeno realizando un impulso de oxígeno puro por 30 segundos, en condiciones anaeróbicas, utilizando cultivos continuos limitados en nitrógeno. Genes respiratorios y de biosíntesis de ergosterol fueron inducidos después del impulso de oxígeno. Además, genes involucrados en remodelamiento de pared celular y estrés oxidativo entre otros, fueron significativamente inducidos y/o reprimidos por el impulso de oxígeno. Los cambios en la expresión de estos genes son respuestas coordinadas que comparten elementos comunes a nivel de regulación transcripcional. Los resultados de este estudio indican que la respiración mitocondrial es responsable de parte sustancial de la respuesta al oxígeno en células de levadura durante la fermentación alcohólica. Además, genes involucrados en consumo de prolina, remodelamiento de pared celular y estrés oxidativo fueron significativamente inducidos y/o reprimidos, tanto a corto como a largo plazo por oxígeno, destacando el papel dual del oxígeno en “crear o destruir vinos”. Estos hallazgos facilitaran el desarrollo de estrategias de adición de oxígeno para optimizar el desempeño de la levadura en fermentaciones industriales.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2013