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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/68057
Type: | TCC |
Title: | Desenvolvimento de uma plataforma microbiana produtora de ácido lático utilizando estratégias de engenharia metabólica |
Title in English: | Development of a lactic acid-producing microbial platform using metabolic engineering strategies |
Authors: | Sousa, Lara Isensee Saboya de |
Advisor: | Araújo, Marjory Lima Holanda |
Co-advisor: | Gross, Jefferson |
Keywords: | Saccharomyces cerevisiae;Ácido polilático;Resíduos Agroindustriais;PE-2 |
Issue Date: | 2022 |
Citation: | SOUSA, Lara Isensee Saboya de. Desenvolvimento de uma plataforma microbiana produtora de ácido lático utilizando estratégias de engenharia metabólica. 2022. 121 f. Monografia (Graduação em Biotecnologia) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | O ácido lático (LA) é um ácido orgânico de grande interesse industrial, mas sua produção atual envolve impactos ambientais e gargalos econômicos que afetam suas aplicações, principalmente a produção do ácido polilático (PLA). Isso pode ser superado pela utilizaçãode microrganismos mais robustos e tolerantes a ácidos orgânicos, como a levedura Saccharomyces cerevisiae. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é a construção de uma linhagem microbiana capaz de converter a glicose (C6) e xilose (C5), açúcares derivados de resíduos agroindustriais, em L-ácido lático. Inicialmente, realizou-se ensaios de tolerância com cinco cepas de leveduras em meio YPD com concentrações crescentes de LA (20 a 80 g/L) a pH 3 e em hidrolisado lignocelulósico de bagaço de cana-de-açúcar solificado a pH 3 e 5. A seguir, utilizando procedimentos de biologia sintética, foram construídos plasmídeos contendo cassetes de expressão da enzima de produção do LA (L-Lactato desidrogenase, LDH), proveninentes de quatro organismos diferentes: Bos taurus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus plantarum e Lacticaseibacillus casei. Além disso, vetores também foram construídos para utilização do sistema CRISPR-Cas9, para a deleção parcial da via de fermentação alcoólica e integração genômica da LDH escolhida. Realizou-se, então, a deleção parcial da via do etanol e testou-se por ensaios fermentativos as diferentes LDHs na linhagem desenvolvida. Quatro cepas de leveduras, a S. cerevisiae PE-2, S. cerevisiae ATCC38555, Zygosaccharomyces bailii NCYC 1427 e Brettanomyces bruxellensis WLP 4639 foram consideradas altamente tolerantes ao ácido lático e apenas uma, a Z. bailli, demonstrou bom crescimento em hidrolisado lignocelulósico, revelando sua tolerância aos inibidores presentes nesse meio. Como o chassi microbiano escolhido neste trabalho é uma cepa fermentadora de xilose derivada da PE-2 (BR-X5), isso a configura como cepa ideal para este estudo. A obtenção da linhagem BR-X5Δpdc1 revelou que a deleção do gene PDC1, a principal piruvato descarboxilase expressa em levedura, não foi suficiente para o redirecionamento de carbono dessa via. A expressão dos vetores das LDHs nessa linhagem permitiu selecionar a L-LDH de B. taurus como a melhor enzima para a produção de LA. Por fim, a montagem dos plasmídeos de integração genômica possibilitam o desenvolvimento de linhagens com diferentes cópias dessa enzima bovina e a deleção de outros genes da via do etanol, como ADH1. Foi possível, então, construir uma cepa prova de princípio produtora de 1,7 g/L de ácido lático, com rendimento de 1,8% a partir de 90 g/L de açúcar (glicose e xilose) e produtividade de 0,043 g/L.h. A partir dessa cepa, é possível o desenvolvimento de um microrganismo que viabilize a produção eficiente de LA a partir de um recurso renovável e um processo mais sustentável e eficiente. |
Abstract: | Lactic acid (LA) is an organic acid of great industrial interest, but its current production involves environmental impacts and economic bottlenecks that affect its applications, especially the production of polylactic acid (PLA). To overcome this, it is possible to use robust microorganisms tolerant to organic acids, such as the yeast Saccharomyces cerevisiae. In this context, this work aims to build a microbial strain capable of converting glucose (C6) and xylose (C5), sugars derived from agro-industrial residues, into L-lactic acid. Initially, tolerance tests were carried out with five yeast strains in a YPD medium with increasing concentrations of LA (20 to 80 g/L) at pH 3 and in lignocellulosic hydrolyzate of sugarcane bagasse solidified at pH 3 and 5. Then, using synthetic biology procedures, plasmids containing LA production enzyme expression cassettes (L-lactate dehydrogenase, LDH) from four different organisms were constructed: Bos taurus, Lactobacillus helveticus, Lactobacillus plantarum, and Lacticaseibacillus casei. In addition, vectors were also built to use the CRISPR-Cas9 system for the partial deletion of the alcoholic fermentation pathway and genomic integration of the chosen LDH. Then, the partial deletion of the ethanol pathway was performed and the different LDHs in the developed strain were tested by fermentation assays. Four yeast strains, S. cerevisiae PE-2, S. cerevisiae ATCC38555, Zygosaccharomyces bailii NCYC 1427, and Brettanomyces bruxellensis WLP 4639 were considered highly tolerant to lactic acid and only one, Z. bailli, showed good growth in lignocellulosic hydrolyzate, revealing its tolerance to the inhibitors present in this medium. As the microbial chassi chosen in this work is a xylosefermenting strain derived from PE-2 (BR-X5), this configures it as an ideal strain for this study. Obtaining the BR-X5Δpdc1 strain revealed that the deletion of the PDC1 gene, the main pyruvate decarboxylase expressed in yeast, was not sufficient for the carbon redirection of this pathway. The expression of the LDH vectors in this strain allowed the selection of L-LDH from B. taurus as the best enzyme for the production of LA. Finally, the assembly of genomic integration plasmids allows the development of strains with different copies of this bovine enzyme and the deletion of other genes of the ethanol pathway, such as ADH1. It was then possible to build a proof-of-principle strain producing 1.7 g/L of lactic acid, with a yield of 1.8% from 90 g/L of sugar (glucose and xylose) and productivity of 0.043 g/L. L.h. From this strain, it is possible to develop a microorganism that enables the efficient production of LA from a renewable resource and a more sustainable and efficient process. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68057 |
Appears in Collections: | BIOTECONOLOGIA - Monografias |
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