Impact of xylose and mannose on central metabolism of yeast Saccharomyces cerevisiae

In this study, understanding of the central metabolism was improved by quantification of metabolite concentrations, enzyme activities, protein abundances, and gene transcript concentrations. Intracellular fluxes were estimated by applying stoichiometric models of metabolism. The methods were applied in the study of yeast Saccharomyces cerevisiae in two separate projects. A xylose project aimed at improved utilization of D-xylose as a substrate for, e.g., producing biomaterial-based fuel ethanol. A mannose project studied the production of GDP-mannose from D-mannose in a strain lacking the gene for phosphomannose isomerase (PMI40 deletion). Hexose, D-glucose is the only sugar more abundant than pentose D-xylose. D-xylose is common in hardwoods (e.g. birch) and crop residues (ca. 25% of dry weight). However, S. cerevisiae is unable to utilize D-xylose without a recombinant pathway where D-xylose is converted to D-xylulose. In this study D-xylose was converted in two steps via xylitol: by D-xylose reductase and xylitol dehydrogenase encoded by XYL1 and XYL2 from Pichia stipitis, respectively. Additionally, endogenous xylulokinase (XKS1) was overexpressed in order to increase the consumption of D-xylose by enhancing the phosphorylation of D-xylulose. Despite of the functional recombinant pathway the utilization rates of D-xylose still remained low. This study proposes a set of limitations that are responsible for the low utilization rates of D-xylose under microaerobic conditions. Cells compensated for the cofactor imbalance, caused by the conversion of D-xylose to D-xylulose, by increasing the flux through the oxidative pentose phosphate pathway and by shuttling NADH redox potential to mitochondrion to be oxidized in oxidative phosphorylation. However, mitochondrial NADH inhibits citrate synthase in citric acid cycle, and consequently lower flux through citric acid cycle limits oxidative phosphorylation. Further, limitations in the uptake of D-xylose, in the pentose phosphate pathway, and in the citric acid cycle were alleviated in xylose chemostat isolates with three-fold improved xylose utilization rates. Uptake rate of D-xylose, assayed in vitro with radioactive D-xylose, was improved by 60% in the chemostat isolates grown under aerobic conditions on D-xylose. In the pentose phosphate pathway activities of transketolase and transaldolase were increased two-fold, and consequently concentrations of their substrates were decreased two-fold in the chemostat isolates. Finally, less pyruvate and citrate, but more malate accumulated in the chemostat isolates than in the original strain grown on D-xylose under aerobic conditions. In a S. cerevisiae strain with PMI40 deletion, growth on media without D-mannose and D-glucose is disabled. Phosphomannose isomerase encoded by PMI40 connects D-mannose to glycolysis, which is the main pathway for D-glucose utilization. Hypothetically, a PMI40 deletion strain would direct all its D-mannose into the biosynthesis of GDP-mannose. However, in the PMI40 deletion strain increased initial D-mannose concentrations led to increased intracellular mannose 6-phosphate concentrations. Mannose 6-phosphate inhibited activity of phosphoglucose isomerase (encoded by PGI1) in glycolysis, which in essence is equivalent to suppressed expression of PGI1. Subsequently, reduced availability of glycolysis intermediates, due to inhibition of phosphoglucose isomerase, led to a decrease in the glycolytic flux. Eventually, increased initial D-mannose concentrations resulted in a starvation response, which was accompanied by slower cell cycle and slower growth rate.reviewe

Inactivation of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) biosynthesis in ‘Knallgas’ bacterium Xanthobacter sp. SoF1

Aerobic hydrogen-oxidizing ‘Knallgas’ bacteria are promising candidates for microbial cell factories due to their ability to use hydrogen and carbon dioxide as the sole energy and carbon sources, respectively. These bacteria can convert atmospheric CO2 to chemicals which could help to mitigate climate change by replacing fossil fuel-based chemicals. A known method to enhance the product yield is to disrupt competing metabolic pathways in the host organism. One such pathway in many ‘Knallgas’ bacteria is polyhydroxybutyrate (PHB) biosynthesis. In this study, the PHB biosynthesis genes of a non-model ‘Knallgas’ bacterium Xanthobacter sp. SoF1 were identified. Consequently, the phaA, phaB and phaC genes were individually deleted and the resulting knockouts were evaluated for their ability to produce PHB in autotrophic shake flask and small-scale bioreactor cultivations. The results demonstrate that PHB production was inactivated in the phaC1 knockout strain, which advances the development of Xanthobacter sp. SoF1 as a production host. Graphical Abstract: [Figure not available: see fulltext.].</p

Regulation of xylose metabolism in recombinant Saccharomyces cerevisiae

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Considerable interest in the bioconversion of lignocellulosic biomass into ethanol has led to metabolic engineering of <it>Saccharomyces cerevisiae </it>for fermentation of xylose. In the present study, the transcriptome and proteome of recombinant, xylose-utilising <it>S. cerevisiae </it>grown in aerobic batch cultures on xylose were compared with those of glucose-grown cells both in glucose repressed and derepressed states. The aim was to study at the genome-wide level how signalling and carbon catabolite repression differ in cells grown on either glucose or xylose. The more detailed knowledge whether xylose is sensed as a fermentable carbon source, capable of catabolite repression like glucose, or is rather recognised as a non-fermentable carbon source is important for further engineering this yeast for more efficient anaerobic fermentation of xylose.</p> <p>Results</p> <p>Genes encoding respiratory proteins, proteins of the tricarboxylic acid and glyoxylate cycles, and gluconeogenesis were only partially repressed by xylose, similar to the genes encoding their transcriptional regulators <it>HAP4</it>, <it>CAT8 </it>and <it>SIP1-2 </it>and <it>4</it>. Several genes that are repressed via the Snf1p/Mig1p-pathway during growth on glucose had higher expression in the cells grown on xylose than in the glucose repressed cells but lower than in the glucose derepressed cells. The observed expression profiles of the transcription repressor <it>RGT1 </it>and its target genes <it>HXT2-3</it>, encoding hexose transporters suggested that extracellular xylose was sensed by the glucose sensors Rgt2p and Snf3p. Proteome analyses revealed distinct patterns in phosphorylation of hexokinase 2, glucokinase and enolase isoenzymes in the xylose- and glucose-grown cells.</p> <p>Conclusion</p> <p>The results indicate that the metabolism of yeast growing on xylose corresponds neither to that of fully glucose repressed cells nor that of derepressed cells. This may be one of the major reasons for the suboptimal fermentation of xylose by recombinant <it>S. cerevisiae </it>strains. Phosphorylation of different isoforms of glycolytic enzymes suggests that regulation of glycolysis also occurred at a post-translational level, supporting prior findings.</p

Low oxygen levels as a trigger for enhancement of respiratory metabolism in Saccharomyces cerevisiae

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The industrially important yeast <it>Saccharomyces cerevisiae </it>is able to grow both in the presence and absence of oxygen. However, the regulation of its metabolism in conditions of intermediate oxygen availability is not well characterised. We assessed the effect of oxygen provision on the transcriptome and proteome of <it>S. cerevisiae </it>in glucose-limited chemostat cultivations in anaerobic and aerobic conditions, and with three intermediate (0.5, 1.0 and 2.8% oxygen) levels of oxygen in the feed gas.</p> <p>Results</p> <p>The main differences in the transcriptome were observed in the comparison of fully aerobic, intermediate oxygen and anaerobic conditions, while the transcriptome was generally unchanged in conditions receiving different intermediate levels (0.5, 1.0 or 2.8% O₂) of oxygen in the feed gas. Comparison of the transcriptome and proteome data suggested post-transcriptional regulation was important, especially in 0.5% oxygen. In the conditions of intermediate oxygen, the genes encoding enzymes of the respiratory pathway were more highly expressed than in either aerobic or anaerobic conditions. A similar trend was also seen in the proteome and in enzyme activities of the TCA cycle. Further, genes encoding proteins of the mitochondrial translation machinery were present at higher levels in all oxygen-limited and anaerobic conditions, compared to fully aerobic conditions.</p> <p>Conclusion</p> <p>Global upregulation of genes encoding components of the respiratory pathway under conditions of intermediate oxygen suggested a regulatory mechanism to control these genes as a response to the need of more efficient energy production. Further, cells grown in three different intermediate oxygen levels were highly similar at the level of transcription, while they differed at the proteome level, suggesting post-transcriptional mechanisms leading to distinct physiological modes of respiro-fermentative metabolism.</p

Nurmiheinien ensimmäisen sadon sulavuuden ja sadon määrän mallit nurmirehuntuotannon hallintaan

Suomen olosuhteissa nurmikasvien kehitys alkukesällä on erittäin nopeaa. Korjuun ajoitus on rehuntuotannontaloudelliseen tulokseen merkittävästi vaikuttava päätös, sillä kasvun edetessä rehun sulavuuslaskee, mutta sadon määrä kasvaa. Sulavuuden arviointi kasvustosta ei ole kovin helppoa ja vuosittaisetvaihtelut sopivan korjuuajan saavuttamisessa ovat suuria alkukesän vaihtelevista sääoloistajohtuen. Esittämällä D-arvon muutos suhteessa lämpösummaan on pystytty avustamaan viljelijöitäkorjuuaikapäätöksen tekemisessä. Ennusteet on esitetty MTT:n ja Valio Oy:n yhteisessä ARTTURI®-verkkopalvelussa (www.mtt.fi/artturi). Tämän työn tarkoituksena on tarkentaa alkukesän nurmikasvienD-arvoennustetta kehittämällä taustalla käytettävää mallia. Lisäksi tarkasteltiin, mitkä säätekijätvaikuttavat nurmien kuiva-ainesadon kehittymiseen.D-arvoa mallitettiin yleisillä lineaarisilla sekamalleilla käyttäen perustana Gompertzin käyräämuistuttavaa yhtälöä ja kuiva-ainesatoa mallitettiin lineaarisilla sekamalleilla. Sarjakohtaisia selittäjiäaineistossa olivat mm. maalaji, sijainti, kasvukautta edeltäneet lämpösumma ja sadesumma sekä niidenjohdannaiset. Havaintokohtaisina selittäjinä lämpösumman lisäksi käytettiin eri sääsuureita ja kasvuajanpituutta kasvukauden alusta. D-arvot vaihtelivat sarjoissa kasvukauden aikana välillä 510 – 786g/kg ka keskiarvon ollessa 710 g/kg ka. D-arvon ennustamisessa päädyttiin seuraavaan malliin: D-arvo(g/kg ka) = 769.5 – exp(5.61 × (1 – exp(-0.07 × (LS+ 0.016×PreLS28 -7.58) ) ) ), missä LS on kasvukaudenlämpösummakertymä astepäivinä (°C vrk) ja PreLS28 on kasvukautta edeltävän 28 päivänkeskilämpötilojen summa (R2=0.82). Kuiva-ainesadot hehtaaria kohden vaihtelivat välillä 500 kg – 11000 kg keskiarvon ollessa 4 200 kg. Kuiva-aineen hehtaarisato lisääntyi keskimäärin 191 kg/pv kasvunedetessä alkukesällä.Nurmisadon D-arvon lasku alkukesällä on hyvin nopeaa ja varsin johdonmukaista. D-arvonmuutos on käyräviivaista, mutta säilörehun korjuuaikaan sen on varsin lineaarista ja keskimäärin 5g/kg ka päivässä. Lämpösummaa käyttäen D-arvon kehityksestä voidaan antaa kohtuullisia yleisiäennusteita. Lämpö-olot vaikuttivat merkitsevästi myös kuiva-ainesadon kertymiseen, mutta sadesummaei. Kasvustokohtaiset erot olivat erittäin suuria joten kuiva-ainesatoennusteet voivat olla ainoastaansuuntaa-antavia

Suomen metsät 2004–2008 ja niiden kehitys 1921–2008

MetsävaratTässä julkaisusssa esitetään valtakunnan metsien 10. inventointiin (VMI10) perustuvat tiedot Suomen metsävaroista ja metsien tilasta. Maastotiedot on kerätty vuosina 1996–2004. Tulokset esitetään metsäkeskusalueittain, osa tuloksista myös puuntuotannon rajoitusten ja metsänomistajaryhmän mukaan jaoteltuna. Metsien kehitystä tarkastellaan vertailemalla tuloksia aiempien inventointien tuloksiin 1920-luvun alun VMI1:stä lähtien. Julkaisussa esitetään myös VMI10:ssä käytetyt mittaus- ja laskentamenetelmät. Suomen metsien puumäärä on jatkanut lisäystään. Puuston kokonaistilavuus on 2,2 miljardia kuutiometriä, kun 1920-luvun alussa nykyisen Suomen puuston määrä oli 1,4 miljardia kuutiometriä. Puuston vuotuinen kasvu oli inventointia edeltäneillä 5 vuoden mittausjaksoilla lähes 100 miljoonaa kuutiometriä. Suomen metsissä nuorien metsien osuus on suuri, mikä selittää puumäärän lisäystä ja puuston lisääntyvää kasvua. Soiden ojitus on lisännyt metsämaan alaa noin 1,5 miljoonaa hehtaaria, mikä myös selittää puuston määrän ja kasvun lisäystä. Edelliseen inventointiin verrattuna metsämaan ala on kuitenkin pienentynyt maanrakennustoiminnan vaikutuksesta. Metsien terveydentila on hyvä, vakavia tuhoja havaittiin inventoinnissa vain noin 4 %:lla metsä maan alasta. Metsähoidollinen tila on tyydyttävä – 73 % puuntuotannon metsämaan metsistä on metsänhoidolliselta tilataan hyviä tai tyydyttäviä. Nuorissa metsissä on kuitenkin aiempaa enemmän kiireelliä taimikonhoito- ja ensiharvennustarpeita. Metsä-, kitu- ja joutomaan alasta noin 2 %:lla on arvokkaita biotooppeja, jotka VMI:n maasto arvion mukaan todennäköisesti täyttävät metsälain 10 pykälän kriteerit lukuun alueellista yleisyyttä, johon VMI:n arvioinnissa ei ole otettu kantaa. Arvokkaat elinympäristöt on otettu hyvin huomioon metsien käsittelyssä. Lahopuuston määrä on edelliseen inventointiin verrattuna lisääntynyt Etelä-Suomessa, mutta näyttäisi hieman pienentyneen Pohjois-Suomessa

Suomen metsät 2009–2013 ja niiden kehitys 1921–2013

Tässä julkaisussa esitetään valtakunnan metsien 11. inventoinnin (VMI11) tulokset Suomen metsävaroista ja metsien tilasta. Maastotiedot on kerätty vuosina 2009–2013. Metsien kehitystä tarkastellaan 1920-luvulta lähtien vertailemalla VMI11:n tuloksia aiempien inventointien (VMI1–VMI10) tuloksiin. Julkaisussa esitetään myös VMI11:n menetelmät maastomittausten ja laskentamenetelmien osalta. Puuston määrä on 2,4 miljardia kuutiometriä. Edelliseen inventointiin verrattuna lisäystä on 150 miljoonaa kuutiometriä ja 1920-luvun puumäärään verrattuna noin miljardi kuutiometriä. Puuston määrästä 50 % on mäntyä, 30 % kuusta, 20 % koivua. 1920-lukuun verrattuna kaikkien em. puulajiryhmien kokonaistilavuus on lisääntynyt selvästi, esimerkiksi lehtipuun määrä on lisääntynyt puolitoistakertaiseksi. Puuston vuotuinen kasvu inventoinnin mittausvuosia edeltäneinä 5 vuotena on ollut keskimäärin 105,5 miljoonaa kuutiometriä. Puuntuotannon metsämaan metsistä 36 % on nuoria kasvatusmetsiä, 30 % varttuneita kasvatusmetsiä, 19 % taimikoita ja 13 % uudistuskypsiä metsiä. Puuttomia uudistusaloja sekä siemen- ja suojuspuustoja on yhteensä vajaat 2 % puuntuotannon metsämaan alasta. Mäntyvaltaisia metsiä on 64 % koko Suomen metsämaan alasta, kuusivaltaisia 25 % ja lehtipuuvaltaisia 10 %. Etelä-Suomen nuorissa metsissä kuusivaltaiset metsät ovat yleistymässä, mikä kertoo siitä, että kuusta suositaan metsän uudistamisessa. Metsikön laatua alentavia tuhoja on 25 %:lla puuntuotannon metsämaan alasta. Kuusivaltaisissa metsissä yleisimpiä tuhonaiheuttajia ovat tuuli ja lumi, mäntyvaltaisissa metsissä lumi ja hirvi, lehtipuuvaltaissa metsissä lahottajasienet ja hirvi. Metsien terveydentila on hyvä, sillä vakavia tuhoja esiintyy vain 3 %:lla puuntuotannon metsämaan alasta. Puuntuotannon metsämaan metsistä 28 % on metsänhoidolliselta tilaltaan hyviä ja 44 % tyydyttäviä. Vajaatuottoisia metsiä on 7 %. Vajaatuottoisten metsien määrä on pienentynyt edelliseen inventointiin verrattuna hieman ja aiempiin inventointeihin verrattuna selvästi. Tulevana 10-vuotiskautena metsänhoidollisia ensiharvennustarpeita on 1,9-kertaisesti ja taimikonhoitotarpeita 1,5-kertaisesti menneen 10-vuotiskauden suoritemääriin verrattuna. Metsien monimuotoisuudelle tärkeän lahopuuston määrän lisääntyminen on Etelä-Suomessa jatkunut. Pohjois-Suomessa lahopuuston määrä on vähentynyt. Pohjois-Suomessa lahopuuston keskitilavuus metsämaalla (8,0 m³/ha) on kuitenkin edelleen yli kaksinkertainen Etelä-Suomeen (3,8 m³/ha) verrattuna. Pysyvien koealojen avulla laskettu puuston vuotuinen luonnonpoistuma on 6,5 miljoonaa kuutiometriä. Tästä 0,9 miljoonaa kuutiometriä on korjattu hakkuissa. Puuston rakenteen ja lahopuuston sekä ihmisen vaikutuksen suhteen luonnontilaisen kaltaisia metsiä on 517 000 hehtaaria.201

Heterozygous junctophilin-2 (JPH2) p. (Thr161Lys) is a monogenic cause for HCM with heart failure

During the last two decades, mutations in sarcomere genes have found to comprise the most common cause for hypertrophic cardiomyopathy (HCM), but still significant number of patients with dominant HCM in the family are left without molecular genetic diagnosis. Next generation sequencing (NGS) does not only enable evaluation of established HCM genes but also candidate genes for cardiomyopathy are frequently tested which may lead to a situation where conclusive interpretation of the variant requires extensive family studies. We aimed to characterize the phenotype related to a variant in the junctophilin-2 (JPH2) gene, which is less known non-sarcomeric candidate gene. In addition, we did extensive review of the literature and databases about JPH2 variation in association with cardiac disease. We characterize nine Finnish index patients with HCM and heterozygous for JPH2 c.482C>A, p. (Thr161Lys) variant were included and segregation studies were performed. We identified 20 individuals affected with HCM with or without systolic heart failure and conduction abnormalities in the nine Finnish families with JPH2 p.(Thr161Lys) variant. We found 26 heterozygotes with the variant and penetrance was 71% by age 60 and 100% by age 80. Cosegregation of the variant with HCM phenotype was observed in six families. Main clinical features were left ventricular hypertrophy, arrhythmia vulnerability and conduction abnormalities including third degree AV-block. In some patients end-stage severe left ventricular heart failure with normal or mildly enlarged diastolic dimensions was detected. In conclusion, we propose that the heterozygous JPH2 p.(Thr161Lys) variant is a new Finnish mutation causing atypical HCM.Peer reviewe

Turvepeltolohkojen määrittely ja tunnistaminen : Maatalousmaiden turvetieto (MaaTu) -hankkeen raportti

Viljellyt turvemaat ovat kasvihuonekaasujen lähde ja tärkeässä roolissa maataloussektorin kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Päästöjä vähentävien toimenpiteiden kohdentamiseksi turvemaat olisi pystyttävä tunnistamaan peltolohkokohtaisesti. Tämän raportin tavoitteena on selvittää kriteerejä turvepeltolohkon tunnistamiseen ja määrittelyyn Suomessa siten, että määritelmä on yhtenevä hallitusten välisen ilmastopaneelin (IPCC) käyttämän määritelmän kanssa. Raportti koostuu kirjallisuuskatsauksesta turvemaan määritelmiin kansainvälisesti ja Suomessa, sekä analyyseistä turpeen esiintymisestä ja ominaisuuksista Suomen maatalousmailla ja peltolohkoilla. Raportti tuotettiin osana Maatalouden turvetieto (MaaTu) -hanketta (2021–2023), jossa tuotetaan tarkennettu koko maan kattava paikkatietoaineisto turvemaiden esiintymisestä ja paksuudesta. Tuotettava paikkatietoaineisto kuvataan ja julkaistaan hankkeen muissa julkaisuissa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella turvemaiden määritelmät ja käytetty terminologia vaihtelevat eri maiden ja luokittelujärjestelmien välillä. Suomalaisissa luokittelujärjestelmissä turvemaat on määritelty eloperäinen maalaji -luokkaan, joka sisältää myös muita maalajeja, kuten lieju- ja multamaat. Kansainvälisesti käytetty World Reference Base for Soil Resources (WRB) -luokittelujärjestelmä tarjoaa kansainvälisesti käytettävän yhtenevän Histosol-määritelmän, jonka alle turvemaat voidaan luokitella. Myös IPCC noudattaa tätä määritelmää. Histosol-määritelmä poikkeaa jonkin verran Suomessa yleisimmin käytetystä määritelmästä turvemaalle. Histosol-määritelmässä orgaanisen kerroksen vähimmäispaksuus on 0,4 m kun suomalaisissa määritelmissä turvemaan vähimmäispaksuudeksi on useimmiten katsottu 0,3 m. Vastaavasti Histosol-määritelmässä orgaanisen materiaaliksi luokitellaan orgaanista hiilen määrillä ≥20 %, kun Suomalaisissa määritelmissä turpeeksi luokitellaan orgaanisen aineen määrillä ≥ 40 %, joka vastaa 23,2 % orgaanista hiiltä (muuntokerroin 1.724). Korvaamalla Histosol-määritelmän raja-arvot suomalaisilla raja-arvoilla päästään kuitenkin hyvin lähelle IPCC:n noudattamaa määritelmää orgaanisille maille (Histosol) ja vältytään rinnakkaisten ja ristiriistaisten luokittelujärjestelmien syntyminen Suomessa. Turvepeltolohkomääritelmä edellyttää myös turpeen vähimmäisalan kriteeriä peltolohkolla, sillä analyysit osoittivat, että turvekerroksen paksuus vaihtelee peltolohkoilla ja turvetta esiintyy usein vain osalla lohkoa. Suomalaisen luokittelujärjestelmän lieju ja multamaa eivät kuulu Histosol-luokkaan vähäisemmän orgaanisen hiilen määrän vuoksi ja ne voidaan luokitella Umbric tai Histic Gleysol -luokkiin. Analyysit osoittivat myös, että turvemaiden tunnistamisessa olisi huomioitava pintamaan lisäksi syvemmät maakerrokset. Peltojen muokkauskerroksessa orgaanisen hiilen määrä havaittiin olevan keskimäärin 28–37 % alhaisempi ja turpeen maatuneisuus korkeampaa kuin syvemmissä kerroksissa. Tämä saattaa johtaa virheelliseen maalajiluokitteluun, jos luokittelu tehdään pelkästään pintamaan ominaisuuksien määrittelyn perusteella. WRB-järjestelmän Histosol-määritelmässä orgaanisen kerroksen ei tarvitse alkaa heti maanpinnasta, mikä sulkee pois vastaavan luokitteluvirheen. Maatalousmaiden turvekerros ohentuu viljelykäytössä. Ennen pitkää turvekerros kuluu loppuun ja turveaineistoja täytyy päivittää. Valtakunnallisesti turvepeltojen turvekerroksen keskimääräiseksi paksuudeksi arviotiin 120 cm (vaihtelu maakunnittain 96–163 cm) ja turvekerroksen havaittiin ohenevan keskimäärin 1,2 cm vuodessa (keskihajonta 0,6 cm/v). Turpeen esiintyminen peltomailla on näin ollen hyvin vaihteleva ilmiö ja turvepelto on ehtyvä luonnonvara