Prospecção de leveduras para produção de xilitol a partir de hidrolisados de biomassa de cana

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Tecnologias Química e Biológica, 2018.Xilitol é um açúcar-álcool de cinco carbonos que tem despertado interesse biotecnológico, por suas diversas aplicações nas indústrias farmacêutica e alimentícia. Este composto é produzido industrialmente por rota química, através da hidrogenação catalítica de xilose purificada. Contudo, uma produção mais econômica e ambientalmente menos impactante é de interesse. Uma alternativa é a utilização de microrganismos que sejam capazes de converter a xilose presente em hidrolisados de biomassa lignocelulósica a xilitol. Para competir com a produção química, os microrganismos escolhidos devem ser capazes de manter altos índices de rendimento e produtividade, mesmo na presença dos inibidores provenientes da hidrólise da lignocelulose. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo selecionar leveduras selvagens capazes de produzir xilitol a partir de açúcares derivados do bagaço da cana de açúcar. Para isso, 960 linhagens de leveduras isoladas de amostras de solo e madeira em decomposição foram prospectadas e selecionadas pela capacidade de crescer em meio mínimo contendo xilose (40 g/L) como única fonte de carbono. As 42 leveduras que apresentaram melhor crescimento foram cultivadas em microplacas em meio de cultura suplementado com xilose e o perfil de consumo de açúcar e de produção de metabólitos foi analisado. Com base nesses resultados, as seis leveduras que mais consumiram xilose foram posteriormente identificadas taxonomicamente e avaliadas em experimentos comparativos e de cinética fermentativa em hidrolisado com e sem suplementação de fontes de carbono e nitrogênio. As seis leveduras foram identificadas como pertencentes à espécie Meyerozyma guilliermondii. Todas foram capazes de consumir toda a glicose e xilose presente no hidrolisado de bagaço de cana e produzir xilitol, porém com cinéticas diferenciadas entre si. Com base nos resultados de rendimento obtidos, uma das seis linhagens foi selecionada para comparação de cinética fermentativa de hidrolisado, em frasco e biorreator, com linhagens de Spathaspora sp. JA1, W. anomalus 740 e M. guilliermondii A3 conhecidas como produtoras de xilitol. Essa linhagem selecionada foi capaz de assimilar xilose e produzir xilitol com rendimento máximo de Y= 0,57 g/g xilose. A estratégia de prospecção adotada nesse trabalho possibilitou a identificação de uma nova linhagem de M. guilliermondii capaz de produzir xilitol a partir de hidrolisados de biomassa de cana de açúcar.Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAP-DF) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).Xylitol is a sugar alcohol with five carbons, which is attracting interest for their various biotechnology applications in the pharmaceutical and food industries. This compound is industrially produced only by chemical route, through the catalytic hydrogenation of the purified xylose. However, a more economical and environmentally friendly production is of interest. An alternative is to use microorganisms that are able to convert xylose present in lignocellulosic biomass hydrolysates into xylitol. To compete with chemical production, the chose microorganisms must be able to maintain high levels of yield and productivity, even in the presence of inhibitors from the hydrolysis of lignocellulose. In this context, this study aimed to select wild yeasts able to produce xylitol from sugars derived from sugar cane bagasse. For this, 960 yeast strains, isolated from soil, wood and insects have been prospected and selected for the ability to grow on minimal medium containing xylose (40 g/L) as the only carbon source. The 42 yeasts that showed better growth were grown in microplates in culture medium supplemented with xylose (40 g/L), and the profile of sugar consumption and production of metabolites were analyzed. Based on these results, the six most xylose consumers yeasts were subsequently identified, molecular and taxonomically, and evaluated in comparative experiments of fermentative kinetics in hydrolyzed with and without any supplement of carbon and nitrogen sources. The six yeasts have been identified as belonging to the species Meyerozyma guilliermondii and were able to consume all the xylose and produce xylitol, however, they presented different fermentative kinetics. Based on the results obtained, one of the six strains was selected for comparison of the fermentative kinetics in sugar cane bagasse hydrolyzed, in bottle and bioreactor, with strains of Spathaspora sp. JA1, W. anomalus 740 and M. guilliermondii A3, known as xylitol producers. The strain selected was able to assimilate xylose and produce xylitol with a maximum yield of Y = 0.57 g/g Xylose. The prospecting strategy adopted in this work enabled the identification of a new strain of M. guilliermondii able to produce xylitol from sugar cane biomass hydrolysates

Engineering Zymomonas mobilis for the production of xylonic acid from sugarcane bagasse hydrolysate

Sugarcane bagasse is an agricultural residue rich in xylose, which may be used as a feedstock for the production of high-value-added chemicals, such as xylonic acid, an organic acid listed as one of the top 30 value-added chemicals on a NREL report. Here, Zymomonas mobilis was engineered for the first time to produce xylonic acid from sugarcane bagasse hydrolysate. Seven coding genes for xylose dehydrogenase (XDH) were tested. The expression of XDH gene from Paraburkholderia xenovorans allowed the highest production of xylonic acid (26.17 ± 0.58 g L−1) from 50 g L−1 xylose in shake flasks, with a productivity of 1.85 ± 0.06 g L−1 h −1 and a yield of 1.04 ± 0.04 gAX/gX. Deletion of the xylose reductase gene further increased the production of xylonic acid to 56.44 ± 1.93 g L−1 from 54.27 ± 0.26 g L−1 xylose in a bioreactor. Strain performance was also evaluated in sugarcane bagasse hydrolysate as a cheap feedstock, which resulted in the production of 11.13 g L−1 xylonic acid from 10 g L−1 xylose. The results show that Z. mobilis may be regarded as a potential platform for the production of organic acids from cheap lignocellulosic biomass in the context of biorefineries