Bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, används industriellt för att producera en mängd olika biokemikalier. Dessa kemikalier skulle kunna tillverkas från rester jordbruks- eller skogsindustrin, så kallad andra generationens biomassa. Under mekanisk och enzymatisk nedbrytning av biomassa frigörs ättiksyra. Syran hämmar jästens tillväxt och därmed produktionshastigheten. Nu har forskare på Chalmers använt CRISPRi-screening för att undersöka jästens stressreglering − och de hittade nya gener som är intressanta för att utveckla nya jäststammar för industriell produktion.
−Vi presenterar en ofantlig mängd data med extraordinär upplösning som visar på hur essentiella gener bidrar till hur jästen reagerar när den utsättas för ättiksyra. Detta har aldrig gjorts förut, säger Vaskar Mukherjee, forskare vid avdelningen för industriell bioteknik på Chalmers, som är förstaförfattare till studien.
Yvonne Nygård, är docent på samma avdelning och är sistaförfattare till studien.
− I stambiblioteket vi screenade förändrades uttrycket för alla essentiella gener, något som var mycket svårt att göra innan upptäckten av CRISPR-Cas9-tekniken, tillägger hon.
CRISPRi användes för att styra reglering av gener
CRISPR -interferens (CRISPRi) är ett kraftfullt verktyg för att studera cellulär fysiologi vid olika tillväxtförhållanden. Denna variant av den nobelprisvinnande CRISPR-Cas9-tekniken används inte för att infoga eller ta bort gener, men för att styra reglering av gener. Forskarna använde CRISPRi -tekniken till att minska uttrycket av essentiella gener (dvs gener som är livsnödvändiga för organismen) och därmed minska koncentrationen av proteinet som genen kodar för.
− Jästcellerna hölls på så sätt fortfarande vid liv, men vi kunde följa hur olika uttrycksnivåer hos de essentiella generna påverkade cellerna under olika närings- eller miljöförhållanden, i detta fall ättiksyrastress, säger Vaskar Mukherjee.
Proteosomala gener inblandade i ättiksyrestress
I studien användes ett CRISPRi-bibliotek bestående av mer än 9000 jäststammar och över 98 procent av alla essentiella gener ingick i screeningen. Resultaten visade att finjustering av proteosomala geners uttryck leder till ökad tolerans mot ättiksyra. Proteosomen är ett proteinkomplex som bryter ned överflödiga eller skadade proteiner med hjälp av ATP. ATP är en organisk förening som ger energi till många av cellens processer och behövs i stora mängder för att jästceller ska klara av ättiksyrastress.
Forskarna tror att anpassning av proteasomal nedbrytning av oxiderade proteiner sparar in på ATP. Därigenom ökar tolerans mot ättiksyra.
Resultaten tyder på att gener som kodar för protein i proteosomen kan vara viktiga vid bioteknisk modifiering av industriella jäststammar, vilket är av stort intresse.
− Baserat på våra resultat kan vi nu bygga rationella mekanistiska modeller för ökad förståelse för de molekylära processer som sker under ättiksyrastress. Jag är övertygad om att många forskare kommer att gå i våra fotspår och screena essentiella gener under många andra tillväxtförhållanden. Jag tror att våra data också kommer att användas av akademin eller industrier för att identifiera nya gener som kan modifieras för att skapa robusta jäststammar som är motståndskraftiga mot ättiksyra, säger Vaskar Mukherjee.
Fler projekt kring jäst och andra generationens biomassa
För närvarande arbetar Chalmersforskarna på tre olika projekt där de använder liknande teknik. Bland annat ett projekt där CRISPRi-tekniken används för att identifiera gener som är lämpliga att modifiera för att förbättra hur jästcellerna använder glukos och xylos under biokemisk jäsning av andra generationens biomassa.
Vilda S. cerevisiae-stammar kan inte använda xylos och en stam som modifierats för att bryta ner xylos föredrar glukos som primär kolkälla. Det innebär att xylos inte bryts ned fullständigt vid industriell jäsning av biomassan, vilket just nu är en av de riktiga flaskhalsarna för kommersiell produktion av andra generationens biokemikalier.
Lär artikeln i mSystems: A CRISPR Interference Screen of Essential Genes Reveals that Proteasome Regulation Dictates Acetic Acid Tolerance in Saccharomyces cerevisiae
Kontakt
- Docent, Industriell bioteknik, Life Sciences