Forscher verfolgen die Dynamik der Hefepopulation bei der Produktion von Kraftstoff-Bioethanol

Forscher der State University of Campinas (UNICAMP) in Brasilien führten in Zusammenarbeit mit Kollegen der Harvard University in den Vereinigten Staaten eine innovative Studie zur DNA und Populationsdynamik von Saccharomyces cerevisiae durch, der Hefe, die von Pflanzen zur Herstellung von Kraftstoffethanol aus Zuckerrohr verwendet wird in ganz Brasilien, mit dem Ziel, Wege zu einer stabileren, konsistenteren und vorhersehbareren Fermentationsleistung zu finden.

Die Studie basierte auf der Sequenzierung des gesamten Genoms und der Metagenomik (der Analyse einer Sammlung von Genomen aus einer Organismengemeinschaft). Die Ergebnisse wurden in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel berichtet G3: Gene, Genome, Genetik.

Obwohl S. cerevisiae (Bierhefe) vorherrscht, bleibt die Invasion durch fremde Stämme häufig, da die Fermentationsbedingungen durch Faktoren wie Zuckerrohrsorte, Prozessdesign, Betriebsbedingungen und Wetter beeinflusst werden, ganz zu schweigen von evolutionären Veränderungen im Laufe einer Fermentationssaison , was jede der 400 industriellen Zucker- und Ethanolfabriken in Brasilien zu einem einzigartigen Ökosystem macht.

Wildstämme können durch Insekten oder Vögel aus ganz unterschiedlichen Umgebungen in die industrielle Umgebung eingeschleppt werden. Auch eine bakterielle Kontamination beeinflusst die Fermentation auf eine Weise, die noch nicht vollständig geklärt ist.

In der Studie verfolgten Wissenschaftler der School of Food Engineering (FEA) von UNICAMP und des Department of Organismic and Evolutionary Biology der Harvard University die Dynamik der Hefepopulation in zwei Bioraffinerien während zweier Produktionssaisonen (April-November 2018 und April-November 2019).

Zusätzlich zur Verwendung ihres neuartigen statistischen Rahmens auf einer Kombination aus metagenomischen und klonalen Sequenzierungsdaten für etwa 150 Klone aus diesen Bioraffinerien haben sie Daten für mehr als 1.000 Hefestämme aus einer 2018 veröffentlichten europäischen Studie ausgewertet, um eine phylogenetische Analyse zu erstellen Baum.

„DNA-Sequenzierung ist wie Fingerabdruck. Wir verwenden sie, um die Mikroorganismen bei der Ethanolfermentation zu identifizieren“, sagte Andreas Gombert, Professor am FEA-UNICAMP und Erstautor des Artikels. „Wir haben herausgefunden, dass trotz des Vorhandenseins invasiver Stämme und der nicht-aseptischen Natur der Fermentation alle Bioethanol-Abstammungslinien auf demselben Ast des Baumes gebündelt waren. Sie waren alle mit der Ethanol-Fermentationsumgebung verwandt und gehörten dazu. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die Bioethanol-Fermentation eine Rolle spielt.“ Die Prozessindikatoren blieben in beiden Produktionssaisonen sehr stabil.“

Es wurde festgestellt, dass alle vier analysierten Szenarien unterschiedlich waren und kein reproduzierbares Muster auftrat. In einem Fall stammten alle während des gesamten Produktionszeitraums vorhandenen Abstammungslinien von einem der Starterstämme ab, während in einem anderen Fall eindringende Abstammungslinien die Population übernahmen und den Starterstamm verdrängten. Die Unterschiede zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Produktionsperioden derselben Bioraffinerie waren weniger ausgeprägt als die Unterschiede zwischen den beiden Industrieeinheiten.

Nächste Schritte

Mit diesen Ergebnissen wollen die Forscher die Dynamik der Hefepopulation genauer verstehen. Welche Anpassungen machen beispielsweise jede Abstammungslinie fit, um in der Fermentationsumgebung in jeder Bioraffinerie zu überleben, und warum verschwinden andere? Welche Wirkung haben äußere Einwirkungen, die den Prozess verunreinigen, wie zum Beispiel Bakterien?

„Um das herauszufinden, werden wir nicht nur in die Analyse der Hefe-DNA, sondern auch der DNA der Bakterien investieren, die den Prozess kontaminieren, und dann die Dynamik beider korrelieren. Das nennen wir Ethanolfermentationsökologie“, sagte Gombert.