Production of pigments by yeasts

Karotenoidy sú prirodzene sa vyskytujúce pigmenty syntetizované kvasinkami, baktériami, vláknitými hubami i rastlinami. V posledných rokoch vzrastá záujem o štúdium týchto pigmentov a ich mikrobiologickú produkciu najmä vďaka významným biologickým účinkom pripisovaným práve karotenoidom. Táto bakalárska práca je koncipovaná ako porovnávacia štúdia šiestich karotenogenných kvasiniek, a to dvoch kmeňov druhu Rhodotorula glutinis, Rhodotorula mucilaginosa, Sporobolomyces roseus, Sporobolomyces metaroseus a Sporobolomyces pararoseus. Ich kultivácia prebiehala na rôznych živných médiách, kde bol aplikovaný oxidačný stres v podobe peroxidu vodíka a tiež bol použitý odpadný materiál – vaječné cestoviny ako nutričný zdroj. Všetky študované kmene boli schopné využívať odpadný substrát ako zdroj živín, pričom u rodu Sporobolomyces boli na takomto médiu zaznamenané zvýšené produkcie sledovaných metabolitov. Pôsobením oxidačného stresu sa u väčšiny študovaných kvasiniek prejavili nadprodukcie karotenoidov i sprievodných lipidických látok. Kvasinka Sporobolomyces roseus CCY 19-6-4 sa pri kultivácii na cestovinovom médiu síce vyznačovala najvyššou produkciou karotenoidov (1923,78 µg/g -karoténu), ale na druhej strane sa u nej prejavil výrazný pokles biomasy. Ako potencionálne najlepší producent biomasy (9,85 g/l) i karotenoidov (780,24 µg/g -karoténu) sa ukázala kvasinka Rhodotorula glutinis CCY 20-2-26. Medzi prírodné pigmenty patrí aj pulcherimín syntetizovaný najmä kvasinkami, ale aj niektorými sporotvornými baktériami. V poslednej dobe sa intenzívne študuje jeho antagonistický efekt, ktorý vykazuje voči viacerým mikroorganizmom, čo sa javí ako veľmi významné z hľadiska biologickej kontroly. Druhá časť práce je venovaná práve štúdiu regulácie produkcie pulcherimínu a jeho antimikrobiálnej aktivite. Ako kvasinky produkujúce tento pigment boli použité kmene Metschnikowia pulcherrima 145, Metschnikowia pulcherrima 147, Mestchnikowia pulcherrima 149 a Metschnikowia andauensis 129, ktoré boli kultivované na rozličných živných médiách obsahujúcich rôzne koncentrácie iónov kovov a tiež peroxid vodíka ako exogénny stres. V rámci štúdia antagonistického efektu pulcherimínu boli ako testované mikroorganizmy využité grampozitívna baktéria Lactobacillus sakei, gramnegatívna baktéria Escherichia coli, ďalej kvasinka Candida glabrata a vláknitá pleseň Phanrochaete chrysosporium. Všetky kvasinky rodu Metschnikowia boli schopné produkcie pulcherimínu, a teda aj antagonistického efektu, iba v médiách obohatených o železité ióny, pričom intenzita sfarbenia bola priamo úmerná práve koncentrácii železa. Antimikrobiálna aktivita pulcherimínu sa neprejavila iba voči baktérií Escherichia coli.Carotenoids are naturally occurring pigments synthesized by yeast, bacteria, filamentous fungi and plants. In recent years, the interest in the study of these pigments and their microbiological production is increasing mainly due to significant biological effects attributed to carotenoids. This work is conceived as comparative study of six carotenogenic yeasts: two strains of species Rhodotorula glutinis, Rhodotorula mucilaginosa, Sporobolomyces roseus, Sporobolomyces metaroseus a Sporobolomyces pararoseus. Their cultivation was carried out in various media where the oxidative stress was applied in the form of hydrogen peroxide and also waste material – egg pasta – was used as a nutrition source. All studied strains were able to use waste substrate as a source of nutrients, in case of the genus Sporobolomyces increasing production of metabolites was observed. Under the oxidative stress, the majority of the studied yeast showed overproduction of carotenoids and accompanying lipid substances. Sporobolomyces roseus CCY 19-6-4 was characterized by the highest production of carotenoids (1923.78 µg/g -carotene) at the egg pasta media, but on the other hand, it showed a significant decline in biomass. As potentially the best producer of biomass (9.85 g/l) and carotenoids (780.24 µg/g of -carotene), the yeast Rhodotorula glutinis CCY 20-2-26 was observed. Pulcherrimin, synthesized mainly by yeast but also by some spore-forming bacteria, also belongs among natural pigments. Recently, its antagonistic effect that was shown against several microorganisms has been intensively studied, as it seems to be very relevant in regard to biological control. The second part of the work deals with the regulation of pulcherrimin production and its antimicrobial activity. As the pigment-producing yeast strains were used Metschnikowia pulcherrima 145, Metschnikowia pulcherrima 147, Mestchnikowia pulcherrima 149, Metschnikowia andauensis 129, which were cultured on various media containing different concentrations of metal ions and hydrogen peroxide as exogenous stress. In the study of pulcherrimin antagonistic effect, gram-positive bacteria Lactobacillus sakei, gram-negative bacteria Escherichia coli, yeast Candida glabrata and filamentous fungi Phanrochaete chrysosporium were used as tested microorganisms. All studied yeasts were able to produce pulcherrimin, and therefore to show antagonist effect, only in media supplemented with iron, while the color intensity was proportional to the concentration of iron. Antimicrobial activity of pulcherrimin was not observed only against bacteria Escherichia coli.

The Use of Raman Spectroscopy to Monitor Metabolic Changes in Stressed Metschnikowia sp. Yeasts

Raman spectroscopy is a universal method designed for the analysis of a wide range of physical, chemical and biological systems or various surfaces. This technique is suitable to monitor various components of cells, tissues or microorganisms. The advantages include very fast non-contact and non-destructive analysis and no or minimal need for sample treatment. The yeasts Metschnikowia can be considered as industrially usable producers of pulcherrimin or single-cell lipids, depending on cultivation conditions and external stress. In the present study, Raman spectroscopy was used as an effective tool to identify both pulcherrimin and lipids in single yeast cells

Production of lipid substances by Metschnikowia yeasts grown on some waste substrates

Oleogénne kvasinky sa vyznačujú schopnosťou akumulovať za určitých podmienok zvýšené množstvo lipidov. Tieto mikrobiálne lipidy sa líšia v kompozícii mastných kyselín, čo umožňuje ich široké využitie v biotechnologickom priemysle. Predložená diplomová práca je zameraná na produkciu lipidov a kompozíciu mastných kyselín z odpadných substrátov kvasinkami rodu Metschnikowia v závislosti na rôznych kultivačných podmienkach. Sledovaný bol vplyv teploty, pomer uhlíka a dusíka v médiu a aj koncentrácia rôznych uhlíkových substrátov v médiu. Na kultiváciu bol využitý glycerol a živočíšny tuk, ktoré sú lacnými a ľahko dostupnými odpadnými substrátmi. Produkčné vlastnosti kvasiniek boli monitorované viacerými inštrumentálnymi technikami, medzi ktoré bola zaradená plynová chromatografia, Ramanova spektroskopia a fluorescenčná mikroskopia FLIM. Navyše bola v rámci práce prevedená čiastočná optimalizácia metódy pulznej gélovej elektroforézy s cieľom identifikovať karyotyp kvasiniek rodu Metschnikowia. Všetky študované kmene boli schopné využívať odpadné substráty a zároveň produkovať lipidy. Množstvo lipidov a najmä kompozícia mastných kyselín sa veľmi líšila v závislosti od študovaných kmeňov a kultivačných podmienok. Rovnako tak bola v práci preukázaná schopnosť kvasiniek produkovať významné množstvo nenasýtených mastných kyselín manipuláciou kultivačných podmienok. Najvyšší výťažok lipidov bol dosiahnutý u kvasinky M. pulcherrima 149 na glycerolovom médiu a u M. andauensis 129 na médiu s obsahom živočíšneho tuku.Oleaginous yeasts posses the ability to accumulate increased amount of lipids under appropriate conditions. These microbial lipids vary in the composition of fatty acids which results in their wide application in the biotechnological industry. This master thesis focuses on the lipid production and fatty acids composition from waste substrates by the yeasts Metschnikowia depending on various cultivation conditions. The influence of temperature, the ratio of carbon and nitrogen in medium, and the concentration of different carbon sources was studied. The cheap and easy available waste substrates as glycerol and animal fat were used for the cultivation. The production characteristics of the yeasts were monitored by various technique including gas chromatography, Raman spectroscopy and fluorescence microscopy FLIM. Moreover, the partial optimalization of the pulse field gel electrophoresis was applied in order to characterize the karyotype of the yeasts Metschnikowia. All the studied strains were able to use the waste substrates and at the same time to produce lipids. The amount of lipids and mainly their compositions vary depending on the yeast strain and on the culture conditions. Nevertheless, the ability of the yeasts to produce significant amount of unsaturated fatty acids by manipulation of culture conditions was proved. The maximum lipid yield was achieved by M. pulcherrima 149 on glycerol medium and by M. andauensis 129 on medium containing waste animal fat.