Damage to deoxyribonucleic acid - DNA and its influence on ethanol production in industrial lines of Saccharomyces cerevisiae in relation to fermentative cycles

Authors

DOI:

https://doi.org/10.5216/rbn.v19i2.74455

Keywords:

Deoxyribonucleic acid, metabolites, Saccharomyces cerevisiae

Abstract

In industrial processes, more robust and tolerant Saccharomyces cerevisiae strains are needed, as stress conditions can affect these microorganisms and cause cellular changes. Thus, this study aimed to evaluate the genetic and physiological effect of fermentation cycles in industrial strains of S. cerevisiae. A pre-inoculum was performed by inoculating 0.10 g of Pedra-2, FT858 and Fleischmann yeasts in YPD 2% liquid medium and incubated at 30°C for 10 hours at 250 rpm. The cells were recovered and the biomass obtained was inoculated in sugarcane juice with 22°Brix at a temperature of 30°C at 250 rpm for 10 hours being conducted with cell recycling. Aliquots were taken at each cycle for genotoxicity analysis by the comet test and physiological stress by ethanol quantification. THE yeast Fleischmann showed lower tolerance to the fermentation cycle, showing greater damage to deoxyribonucleic acid (DNA). The ethanol productivity of the Fleischman strain, in the first fermentation cycle, was similar to the Pedra-2 and FT858 yeasts. However, during the cycles, there was a reduction in the content of this metabolite.

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Author Biographies

Maria do Socorro Mascarenhas, State University of Mato Grosso do Sul (UEMS), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brazil, maria_mascarenhas@outlook.com

Graduação em Tecnologia em Gestão Ambiental pela Universidade Católica Dom Bosco - Campo Grande (2012), graduação de Tecnologia em Produção Sucroalcooleira pela Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul - Unidade Glória de Dourados (2015); Mestrado em Recursos Naturais pela Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul - Unidade Dourados (2018). Especialização em Biotecnologia pela Universidade Católica Dom Bosco - Campo Grande (2018). Atua nas áreas de Biotecnologia, Processos Agroindustriais, Recursos Naturais, com desenvolvimento de pesquisas nos temas: produção etanol, microbiologia industrial, biomassas e bioenergia, produção de metabólitos por leveduras, processos fermentativos, fisiologia de leveduras, gestão de resíduos sólidos urbanos e agroindustriais.

Larissa Pires Mueller, Federal University of Grande Dourados (UFGD), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brazil, laripiresmueller@gmail.com

Graduação em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual de Maringá (2017) e mestrado em Recursos Naturais pela Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul (2020). Atualmente é Doutoranda em Ciências da Saúde na Universidade Federal da Grande Dourados, onde desenvolve ensaios de Toxicidade, Genotoxicidade e Mutagenicidade de plantas medicinais.

Margareth Batistote, State University of Mato Grosso do Sul (UEMS), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brazil, margarethbatistote@gmail.com

Graduação em Biologia pela Universidade Católica Dom Bosco (1988). Mestrado em Microbiologia pela Universidade Estadual de Londrina (1998). Doutorado (2006) e Pós-Doutorado (2007) em Biotecnologia, pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - Instituto de Química. Tem experiência na área de Microbiologia, com ênfase em Protozoários, bactérias e leveduras atuando principalmente nos seguintes temas: tripanosomatideos caracterização fisiológica, leveduras, fonte de carbono, fonte de nitrogênio, metabolismo e processos fermentativos.

Claudia Andrea Lima Cardoso, State University of Mato Grosso do Sul (UEMS), Dourados, Mato Grosso do Sul, Brazil, claudia@uems.br

Técnica em Química Industrial pela UTFPel, Licenciada em Química pela UFMS, Mestrado e Doutorado em Química pelo Instituto de Química de Araraquara ? UNESP. Docente da Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul, atuando em cursos de graduação e no programa de pós-graduação stricto sensu em Recursos Naturais. Também atua como docente nos programas de Mestrado em Química da UFGD e no Doutorado em Química da UFG-UEG-UFGD. Experiência nas áreas de Química, Tecnologia, Biotecnologia e Ciências da Saúde, com ênfase em técnicas cromatográficas e espectroscópicas aplicadas à análise de amostras de origens vegetal, animal e ambiental e em avaliação de potencialidades biológicas visando o desenvolvimento de produtos. Tem desenvolvido estudos em várias áreas, mas a maioria com foco em plantas medicinais e alimentícias com destaque para as ações fotoprotetora, anestésica, anti-inflamatória, analgésica, antimicrobiana e antitumoral, além de análises químicas, biológicas e toxicológicas in vivo e in vitro em produtos oriundos de amostras de origens vegetal e animal. Exerceu, também, a função de Diretora Científica da Fundação de Apoio ao Desenvolvimento, Ensino, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso do Sul (FUNDECT-MS) e membro do Conselho Superior da FUNDECT-MS. Foi coordenadora adjunta do curso de Química e coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Recursos Naturais ambos da UEMS. Presidente Adjunta de Programas Acadêmicos da Câmara III (Engenharia, Tecnologia e Gestão) da Área Interdisciplinar da CAPES. É revisora em manuscritos de periódicos internacionais e nacionais, membro de conselho editorial e consultora ad hoc em agências de fomento. Entre 2019-2021 seis estudos realizados sob sua orientação foram premiados em eventos científicos. Recebeu em 2021 o prêmio de 1º lugar na categoria Pesquisador Destaque ? Ciências Exatas da FUNDECT-MS.

References

Auesukaree, C. 2017. Molecular mechanisms of the yeast adaptive response and tolerance to stresses encountered during ethanol fermentation. J. Biosci. Bioeng. 124(2): 133-142. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2017.03.009

Bassi, A. P. G., L. Meneguello, A. L. Paraluppi, B. Sanches C. P. & S. R. Ceccato-Antonini. 2018. Interaction of Saccharomyces cerevisiae–Lactobacillus fermentum–Dekkera bruxellensis and feedstock on fuel ethanol fermentation. Antonie Leeuwenhoek. 111(9): 1661-1672. DOI: https://doi.org/10.1007/s10482-018-1056-2

Batistote, M., C. A. L. Cardoso, D. D. Ramos & J. R. Ernandes. 2010. Desempenho de leveduras obtidas em indústria de Mato Grosso do Sul na produção de etanol em mosto a base de cana de açúcar. Ciênc. Nat. 32(2): 83-95.

Batistote, M. & M. D. S. M. Santos. 2020. Analysis of fermentative parameters and the importance of Saccharomyces cerevisiae in the development of goods and services. Res. Soc. Dev. 9(11): e93691110586. DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v9i11.10586

Cristobal-Sarramian, A. & D. Atzmüller. 2018. Yeast as a production platform in biorefineries: conversion of agricultural residues into value-added products. Agron. Res. 16(2): 377-388. DOI: http://dx.doi.org/10.15159/ar.18.066

Da Silva, J. 2007. O usa do ensaio cometa para o ensino de genética toxicológica. Genética na escola, 2: 30-37.

Deparis, Q., A. Claes, M. R. Foulquié-Moreno & J. M. Thevelein. 2017. Engineering tolerance to industrially relevant stress factors in yeast cell factories. FEMS Yeast Res. 17(4): 1-17. DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/fox036

Dzialo, M. C., R. Park, J. Steensels, B. Lievens & K. J. Verstrepen. 2017. Physiology, ecology and industrial applications of aroma formation in yeast. FEMS Microbiol. Rev. 41(S1): S95-S128. DOI: https://doi.org/10.1093/femsre/fux031

Eardley, J. & D. J. Timson. 2020. Yeast cellular stress: impacts on bioethanol production. Ferment. 6(4): 1-19. DOI: https://doi.org/10.3390/fermentation6040109

Favaro, L., T. Jansen & W. H. Van Zyl. 2019. Exploring industrial and natural Saccharomyces cerevisiae strains for the bio-based economy from biomass: the case of bioethanol. Crit. Rev. Biotechnol. 39(6): 800-816. DOI: https://doi.org/10.1080/07388551.2019.1619157

Garcia, T. C., A. Durand-Morat, W. Yang, M. Popp & W. Schreckhise. 2022. Consumers’ willingness to pay for second-generation ethanol in Brazil. Energy Policy. 161: 112729. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2021.112729

Geng, P., L. Zhang & G. Y. Shi. 2017. Omics analysis of acetic acid tolerance in Saccharomyces cerevisiae. World J. Microbiol. Biotechnol. 33(5): 1-8. DOI: https://doi.org/10.1007/s11274-017-2259-9

Gong, Z., J. Nielsen & Y. J. Zhou. 2017. Engineering robustness of microbial cell factories. Biotechnology J. 12(10): 1700014. DOI: https://doi.org/10.1002/biot.201700014

Jach, M. E., A. Serefko, M. Ziaja & M. Kieliszek. 2022. Yeast Protein as an Easily Accessible Food Source. Metabolites. 12(1): 63. DOI: https://doi.org/10.3390/metabo12010063

Lah, B., G. Gorjanc, F. V. Nekrep & R. Marinsek-Logar. 2004. Comet assay assessment of wastewater genotoxicity using yeast cells. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 72(3): 607-616. DOI: https://doi.org/10.1007/s00128-004-0287-2

Lin, N. X., Y. Xu & X. W. Yu. 2021. Overview of yeast environmental stress response pathways and the development of tolerant yeasts. SMAB. 2: 232–245. DOI: https://doi.org/10.1007/s43393-021-00058-4

Liu, Y., P. Cruz-Morales, A. Zargar, M. S. Belcher, B. Pang, E. Englund, D. Qingyun, Y. Kevin & J. D. Keasling. 2021. Biofuels for a sustainable future. Cell. 184(6): 1636-1647. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.052

Lopes, M. L., S. C. D. L. Paulillo, A. Godoy, R. A. Cherubin, M. S. Lorenzi, F. H. C. Giometti, C. D. Bernardino, H. B. Amorim Neto & H. V. D. Amorim. 2016. Ethanol production in Brazil: a bridge between science and industry. Braz. J. Microbiol. 47: 64-76. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bjm.2016.10.003

Manochio, C., B. R. Andrade, R. P. Rodriguez & B. S. Moraes. 2017. Ethanol from biomass: A comparative overview. Renew. Sust. Energ. Rev. 80: 743-755. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.063

Marsit, S., J. B. Leducq, E. Durand, A. Marchant, M. Filteau & C. R. Landry. 2017. Evolutionary biology through the lens of budding yeast comparative genomics. Nat. Rev. Genet. 18(10): 581-598. DOI: https://doi.org/10.1038/nrg.2017.49

Martínez-Matías, N., N. Chorna, S. González-Crespo, L. Villanueva, I. Montes-Rodríguez, L. M. Melendez-Aponte, A. Roche-Lima, K. Carrasquillo-Carrión, E. Santiago-Cartagena, B. C Rymond, M. Babu, I. Stagljar & J. R. Rodríguez-Medina. 2021. Toward the discovery of biological functions associated with the mechanosensor Mtl1p of Saccharomyces cerevisiae via integrative multi-OMICs analysis. Sci. Rep. 11(1): 1-18. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-86671-8

Mavrommati, M., A. Daskalaki, S. Papanikolaou & G. Aggelis. 2021. Adaptive laboratory evolution principles and applications in industrial biotechnology. Biotechnol. Adv. 54: 107795. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2021.107795

Moscoviz, R., E. Trably, N. Bernet & H. Carrère. 2018. The environmental biorefinery: state-of-the-art on the production of hydrogen and value-added biomolecules in mixed-culture fermentation. Green Chem. 20(14): 3159-3179. DOI: https://doi.org/10.1039/c8gc00572a

Mueller, L. P., D. T. Sarabia, C. A. L. Cardoso & M. Batistote. 2019. O potencial associado das fontes renováveis e Saccharomyces cerevisiae para produção de bioetanol. Educação Ambiental em Ação. 18(68). Available in: <http://www.revistaea.org/artigo.php?idartigo=3660>. Accessed on Aug. 10, 2022.

Mueller, L. P., M. D. S. M. Santos, C. A. L. Cardoso & M. Batistote. 2020. The effects of thermal and ethanolic stress in industrial strains of Saccharomyces cerevisiae. Res. Soc. Dev. 9(10): e6819109091-e6819109091. DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v9i10.9091

Nagamatsu, S. T., N. Coutouné, J. José, M. B. Fiamenghi, G. A. G. Pereira, J. V. D. C. Oliveira & M. F. Carazzolle. 2021. Ethanol production process driving changes on industrial strains. FEMS Yeast Res. 21(1): foaa071. DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/foaa071

Navarrete, C., I. H. Jacobsen, J. L. Martínez & A. Procentese. 2020. Cell Factories for Industrial Production Processes: Current Issues and Emerging Solutions. Process. 8(7): 768. DOI: https://doi.org/10.3390/pr8070768

Oh, E. J. & Y. S. Jin. 2020. Engineering of Saccharomyces cerevisiae for efficient fermentation of cellulose. FEMS Yeast Res. 20(1): foz089. DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/foz089

Olsson, L., P., Rugbjerg, L. T. Pianale & C. Trivellin. 2022. Robustness: linking strain design to viable bioprocesses. Trends in Biotech. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.004

Peetermans, A., M. R. Foulquié-Moreno & J. M. Thevelein. 2021. Mechanisms underlying lactic acid tolerance and its influence on lactic acid production in Saccharomyces cerevisiae. Microb Cell. 8(6): 111-130. DOI: https://doi.org/10.15698/mic2021.06.751

Saini, P., A. Beniwal, A. Kokkiligadda & S. Vij. 2018. Response and tolerance of yeast to changing environmental stress during ethanol fermentation. Process Biochem. 72: 1-12. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.07.001

Santos, M. D. S. M., C. A. L. Cardoso, E. M. Silva & M. Batistote. 2018. Potential of saccharine substrates for ethanol production. Orbital: Electron. J. Chem. 10(1): 14-21. DOI: http://dx.doi.org/10.17807/orbital.v10i1.1013

Santos, M. do S. M., M. Batistote & C. A. L Cardoso. 2021. The Production of Metabolites by Saccharomyces cerevisiae and its Application in Biotechnological Processes. Front., J. Soc. Technol. Environ. Sci. 10(3): 174-184. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.21664/2238-8869.2021v10i3.p174-184

Sanz, A. B., R. García, J. M. Rodríguez-Peña & J. Arroyo. 2018. The CWI pathway: regulation of the transcriptional adaptive response to cell wall stress in yeast. J. Fungi (Basel). 4(1): 1. DOI: https://doi.org/10.3390/jof4010001

Šoštarić, N., A. Arslan, B. Carvalho, M. Plech, K. Voordeckers, K. J. Verstrepen & V. van Noort. 2021. Integrated multi-omics analysis of mechanisms underlying yeast ethanol tolerance. J. Proteome Res. 20(8): 3840-3852. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.1c00139

Święciło, A. 2016. Cross-stress resistance in Saccharomyces cerevisiae yeast - new insight into an old phenomenon. Cell Stress Chaperones. 21(2): 187-200. DOI: https://doi.org/10.1007/s12192-016-0667-7

Taymaz-Nikerel, H., A. Cankorur-Cetinkaya & B. Kirdar. 2016. Genome-wide transcriptional response of Saccharomyces cerevisiae to stress-induced perturbations. Front. Bioeng. Biotech. 4: 1-19. DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2016.00017

Terradas-Cobas, L. & C. Céspedes-Payret. 2015. Genetically modified crops a methodological proposal of indicators. Environ. Dev. 15: 94-102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envdev.2015.04.004

Tse, T. J., D. J. Wiens & M. J. Reaney. 2021. Production of bioethanol — A review of factors affecting ethanol yield. Fermentation. 7(4), 268. DOI: https://doi.org/10.3390/fermentation7040268

Thomson, J. M., E. A. Gaucher, M. F. Burgan, D. W. De Kee, T. Li, J. P. Aris & S. A. Benner. 2005. Resurrecting ancestral alcohol dehydrogenases from yeast. Nat. Genet. 37: 630–635. DOI: https://doi.org/10.1038/ng1553

Udom, N., P. Chansongkrow, V. Charoensawan & C. Auesukaree. 2019. Coordination of the cell wall integrity and high-osmolarity glycerol pathways in response to ethanol stress in Saccharomyces cerevisiae. Appl. Environ. Microbiol. 85(15): e00551-19. DOI: https://doi.org/10.1128/AEM.00551-19

Unrean, P., J. Gätgens, B. Klein, S. Noack & V. Champreda. 2018. Elucidating cellular mechanisms of Saccharomyces cerevisiae tolerant to combined lignocellulosic-derived inhibitors using high-throughput phenotyping and multiomics analyses. FEMS Yeast Res. 18(8): foy106. DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/foy106

Walker, G. M. & G. G. Stewart. 2016. Saccharomyces cerevisiae in the production of fermented beverages. Beverages. 2(4): 30. DOI: https://doi.org/10.3390/beverages2040030

Zhang, Q., D. Wu, Y. Lin, X. Wang, H. Kong & S. Tanaka. 2015. Substrate and product inhibition on yeast performance in ethanol fermentation. Energ. Fuel. 29(2): 1019-1027. DOI: https://doi.org/10.1021/ef502349v

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Published

2022-12-17

How to Cite

MASCARENHAS, M. do S.; MUELLER, L. P.; BATISTOTE, M.; CARDOSO, C. A. L. Damage to deoxyribonucleic acid - DNA and its influence on ethanol production in industrial lines of Saccharomyces cerevisiae in relation to fermentative cycles. Revista de Biologia Neotropical / Journal of Neotropical Biology, Goiânia, v. 19, n. 2, p. 69–77, 2022. DOI: 10.5216/rbn.v19i2.74455. Disponível em: https://revistas.ufg.br/RBN/article/view/74455. Acesso em: 22 nov. 2024.

Issue

Vol. 19 No. 2 (2022): Journal of Neotropical Biology

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Copyright (c) 2022 Revista de Biologia Neotropical / Journal of Neotropical Biology

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