Effect of Trehalose and Glycerol on the Resistance of Recombinant Saccharomyces cerevisiae Strains to Desiccation, Freeze-thaw and Osmotic Stresses

Introduction. Baker's yeast Saccharomyces cerevisiae has been used for manufacturing bakery products, food and feed supplements, alcoholic fermentation etc. In biotechnological processes, yeast cells are exposed to stress factors (high concentration of sugars and ethanol, high temperature, desiccation or freezing etc.), which negatively affects their viability. Yeasts possess certain stress protection systems, including increased accumulation of disaccharide trehalose and glycerol synthesis. Problem Statement. The strengthening of yeast protective systems by increasing glycerol or trehalose concentrations can help to get increased stress robustness of the S. cerevisiae strains. Purpose. To construct the recombinant strains of S. cerevisiae with increased trehalose accumulation or glycerol production and to estimate the obtained recombinant strains resistance to a range of stress factors. Materials and Methods. S. сerevisiae transformation has been performed using Li-Ac-PEG method. Alcoholic fermentation has been carried out at a temperature of 30 °C with stirring at a rate of 120 rpm. Results. The recombinant strains of S. cerevisiae with enhanced glycerol production (up to 19 g/L) have been constructed based on BY4742. The industrial ethanol-producing strain Y-563 has been used as parental one for construction of recombinant strains with up to 3.3-fold increase in the intracellular trehalose level. The resistance of obtained recombinant strains to different stress factors has been evaluated. BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 strain with the highest glycerol production has been established to have the highest osmotolerance. The BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/TSL1, 563/TPS1/2 and 563/TPS1/2/TSL1 strains have shown higher viability after freeze-thaw as compared with the corresponding parental strains, but not higher resistance to desiccation. The recombinant strain 563/TPS1/2/TSL1 with a high trehalose content have been established to have higher activity during fermentation of sugar in sweet dough and to longer keep stable at 35 °С as compared with the initial strain Y-563. Conclusions. Constructed recombinant strains of S. cerevisiae with higher osmotolerance or freeze-thaw resistance can be implemented in industrial processes accompanied with these types of stresses. Baker's yeast made of high trehalose- containing biomass will have prolonged shelf life.Вступ. Пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae використовують у виробництві хлібобулочних виробів, харчових та кормових добавок, алкогольній ферментації тощо. У біотехнологічних процесах клітини дріжджів зазнають дії значної кількості стресових факторів (висока концентрація цукру та етанолу, підвищена температура, висушування або заморожування тощо), що негативно впливає на їх життєздатність. Дріжджі володіють певними системами захисту від стресу, зокрема накопичення дисахариду трегалози та продукування гліцерину. Проблематика. Посилення дії захисних систем дріжджів шляхом збільшення концентрації гліцерину або трегалози може надати більшої стресостійкості штамам S. cerevisiae. Мета. Конструювання рекомбінантних штамів S. cerevisiae з підвищеним рівнем накопичення трегалози або продукування гліцерину та оцінка стійкості отриманих штамів до низки стресових факторів. Матеріали й методи. Трансформацію S. cerevisiae здійснювали методом Li-Ac-PEG. Алкогольну ферментацію здійснювали при температурі 30 °С при перемішуванні зі швидкістю 120 об/хв. Результати. На основі штаму S. cerevisiae BY4742 було сконструйовано рекомбінантні штами з підвищеним рівнем продукування гліцерину (до 19 г/л). На основі промислового штаму Y-563 як продуцента етанолу було сконструйовано рекомбінантні штами з підвищеним в 3,3 рази внутрішньоклітинним вмістом трегалози. Визначено резистентність отриманих рекомбінантних штамів до різних стресових факторів. Штам BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 з найвищим рівнем продукції гліцерину виявляв найвищу осмотолерантність. Штами BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/ TSL1, 563/TPS1/2 та 563/TPS1/2/TSL1 характеризувалися підвищеною життєздатністю після заморожування- розморожування порівняно з батьківськими штамами, проте не виявляли вищої стійкості до висушування. Рекомбінантний штам 563/TPS1/2/TSL1 з високим вмістом трегалози виявляв вищу активність при зброджуванні цукру в здобному тісті та довше зберігав життєвість при 35 °С, порівняно з батьківським штамом Y-563. Висновки. Сконструйовані рекомбінантні штами S. cerevisiae можуть бути використані в промислових процесах, що супроводжуються заморожуванням-розморожуванням клітин дріжджів або високим осмотичним тиском у культуральному середовищі. Хлібопекарські дріжджі з підвищеним внутрішньоклітинним вмістом трегалози мають більш тривалий термін зберігання.Введение. Пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae используют при изготовлении хлебобулочных изделий, пищевых и кормовых добавок, алкогольной ферментации и т.д. В биотехнологических процессах клетки дрожжей подвергаются действию значительного количества стрессовых факторов (высокая концентрация сахара и этанола, повышенная температура, высушивание или замораживание и прочие), что отрицательно влияет на их жизнеспособность. Дрожжи владеют определенными системами защиты от стресса, в частности накопление дисахарида трегалозы и продуцирование глицерина. Проблематика. Усиление действия защитных систем дрожжей путем увеличения концентрации глицерина или трегалозы может способствовать большей стрессоустойчивости штаммов S. cerevisiae. Цель. Конструирование рекомбинантных штаммов S. cerevisiae с повышенным уровнем накопления или продуцирования глицерина, а также оценка устойчивости полученных штаммов к ряду стрессовых факторов. Материалы и методы. Трансформацию S. cerevisiae выполняли методом Li-Ac-PEG. Алкогольную ферментацию проводили при температуре 30 °С при перемешивании со скоростью 120 об/мин. Результаты. На основании штамма S. cerevisiae BY4742 были сконструированы рекомбинантные штаммы с повышенным уровнем продуцирования глицерина (до 19 г/л). На основании промышленного штамма Y-563 как продуцента этанола было сконструировано рекомбинантные штаммы с повышенным в 3,3 раза внутриклеточным содержанием трегалозы. Определено резистентность полученных рекомбинантных штаммов к различным стрессовым факторам. Штамм BY/TPI25/gpd1gpp2f/fps1 с наивысшим уровнем продуцирования глицерина, имел наивысшую осмотолерантность. Штаммы BY/TPI25/gpd1gpp2f, 563/TSL1, 563/TPS1/2 и 563/TPS1/2/TSL1 имели повышенную жизнеспособность после замораживания-размораживания по сравнению с родительскими штаммами, но не проявляли большей стойкости к высушиванию. Рекомбинантный штамм 563/TPS1/2/TSL1 с высоким содержанием трегалозы проявлял более высокую активность при брожении сахара в сдобном тесте и дольше сохранял жизнеспособность при 35 °С, по сравнению с родительским штаммом Y-563. Выводы. Сконструированные рекомбинантные штаммы S. cerevisiae могут использоваться в промышленных процессах, которые сопровождаются замораживанием-размораживанием клеток дрожжей или высоким осмотическим давлением в культуральной среде. Хлебопекарские дрожжи с повышенным внутриклеточным содержанием трегалозы имеют более длительный срок хранения

Вирощування і властивості кристалів PbI2, легованих Cd

Кристалізацією з парової фази у закритій системі при тиску парів надстехіометричного йоду одержані монокристали PbI2 з вмістом кадмію 0,001-10 ат. %. Досліджено вплив концентрації кадмію у вихідній шихті і температурного градієнту на швидкість масоперенесення в системі та характеристики кристалів. Введення у систему PbI2-I2 кадмію в діапазоні концентрацій від 0,001 до 0,5 ат. % при оптимальних умовах вирощування чистих кристалів PbI2 зменшує швидкість масоперенесення не більше ніж на 2 %, концентрація Cd у вирощених монокристалах одного порядку з їх вмістом у вихідній шихті. Збільшення вмісту домішки у шихті від 0,5 до 5,5 ат. % зменшує швидкість масоперенесення вдвічі, вміст кадмію у монокристалах у 5 разів нижчий ніж у шихті, розміри монокристалів зменшуються. Зниження температурного градієнту в системі дозволило отримати кристали PbI2 з вмістом кадмію до 10 ат. %. Легування Cd сприяє росту монокристалів переважно у формі пластин і стрічок. За спектрами дифракції Х-променів встановлено, що одержані монокристали PbI2 належать до 4Нполитипу, визначені параметри гратки і об’єм елементарної комірки чистих і легованих кристалів. Встановлено вплив домішки Cd на спектри поглинання PbI2. Зростання вмісту кадмію у кристалах до 3 ат. % супроводжується короткохвильовим зсувом краю власного поглинання і збільшенням ширини забороненої зони.PbI2 single crystals containing cadmium 0.001-10 at. % have been obtained by means of crystallization from vapor phase in an enclosed system with over-stoichiometric iodine vapor pressure. The influence of cadmium concentration in source burden material and the influence of temperature gradient upon the mass-transfer rate in the system and on the crystals’ characteristics have been researched. With addition of cadmium within the concentration range from 0.001 to 0.5 at. % into PbI2-I2 system at optimal growing conditions for pure PbI2 crystals, the mass-transfer rate is decreased by not more than 2 %, while Cd concentration in the single crystals grown remains of the same order as their content in the source material. The increase of dopant content from 0.5 to 5.5 at. % in the source material leads to two-fold decrease of mass-transfer rate compared to its initial value, with cadmium content in single crystals 5 times lower than in the source material and with decreased dimensions of single crystals. To obtain Cd-doped crystals up to 10 at. %, temperature gradient in the system has been decreased. Cd doping facilitates the growth of single crystals mainly in the form of plates and tapes. By means of X-ray diffraction spectra, it has been defined that PbI2 single crystals belong to 4H-polytype. The lattice parameters and the unit cell volume of pure and doped crystals have been determined. The influence of cadmium dopant upon the PbI2 absorption spectra has been defined. Increasing cadmium content in PbI2 crystals to 3 at. % results in a shift of intrinsic absorption edge into the short-wave area and increase of the band gap width

Ab initio дослідження пружних властивостей твердого розчину CdSe1 – xSx

Досліджено пружні властивості твердого розчину CdSe1 – xSx (x = 0 – 1, при ∆x = 0,25) у рамках розрахунків теорії функціоналу густини. Структури зразків CdSe1 – xSx отримані заміщенням сірки на атоми селену в гексагональному CdS. Модуль Юнга, модуль зсуву, об’ємний модуль і коефіцієнт Пуассона кристалів CdSe1 – xSx були розраховані з перших принципів. Проаналізовано залежності пружних властивостей твердого розчину CdSe1 – xSx від показника вмісту x на інтервалі 0 ≤ x ≤ 1. Відповідно до правила Францевича та значення коефіцієнта Пуассона матеріали були класифіковані як пластичні. Коефіцієнт анізотропії Зенера та параметр Клеймана розраховуються на основі пружних констант Cij. Також розраховано концентраційну залежність швидкості поздовжньої пружної хвилі, швидкості поперечної пружної хвилі та середньої швидкості звуку. На основі середньої швидкості звуку було розраховано концентраційну поведінку температури Дебая. Кореляційний аналіз показує збіг результатів розрахунку (модуля пружності та температури Дебая) з відомими експериментальними даними в рамках похибки.The elastic properties of the CdSe1 – xSx (x = 0 – 1, with ∆x = 0.25) solid state solution in the framework of density functional theory calculations were investigated. The structures of the CdSe1 – xSx samples are obtained by the substitution of sulfur with selenium atoms in hexagonal CdS. The Young’s modulus, shear modulus, bulk modulus and Poisson ratio of CdSe1 – xSx crystals were calculated from first principles. The dependences of the elastic properties of the CdSe1 – xSx solid solution on the content index x within the interval 0 ≤ x ≤ 1 are analyzed. According to Frantsevich rule and value of Poisson ratio the materials have been classified as ductile. Zener anisotropy factor and Kleimann parameter are calculated on the basis of the elastic constants Cij. Also, concentration dependence of longitudinal elastic wave velocity, transverse elastic wave velocity and average sound velocity are calculated. Based on the average sound velocity the concentration behavior of Debye temperature was calculated. The correlation analysis shows a good agreement of the calculation results (elastic modulus and Debye temperature) with known experimental data