Biotechnological Applications of Nonconventional Yeasts

Yeasts not belonging to species of the Saccharomyces genus, called nonconventional yeasts, have gained prominence recently in the biotechnological scenario. For many years, they have been generally characterized as undesirable contaminants in fermentative processes. However, several studies pointed them as useful for many biotechnological applications. This chapter will cover some of these applications, highlighting the most widely employed nonconventional yeasts. The use of non-Saccharomyces strains in (I) xylose fermentation for the production of ethanol and xylitol, (II) brewing industry, (III) improvement of coffee and cocoa fermentation, and (IV) plant growth promotion will be presented

Suplementação de aminoácidos na fermentação alcoólica de mostos de me-laço e xarope de cana-de-açúcar empregando linhagem industrial CAT-1

Nitrogen supplementation may contribute to higher tolerance of S. cerevisiae strains to the different deleterious conditions, such as those that are faced in the Brazilian ethanol production. The present study evaluated the influence of amino acid supplementation under the growth and cell viability of CAT-1 industrial strain under conditions of ethanolic and osmotic stress (YNB medium with 10 and 12% v/v ethanol and molasses must with 15, 20, 25 and 30% ART). Amino acid supplementation was also evaluated in fermentations of sugarcane molasses and syrup, using cell recycle. The results revealed that amino acid supplementation caused distinct effects on the physiological behavior of the yeast according to the medium/musts provided. Histidine supplementation favored the CAT-1 for higher growth and cell viability in molasses and syrup musts. The results showed that the supplementation of 200 mg.L-1 of amino acid can favor or degrade the growth and viability of the CAT-1 in fermentations simulating Brazilian industrial conditions. Supplementation with histidine proved to be the most promising for increasing the tolerance of the industrial strain.La suplementación con nitrógeno puede contribuir a una mayor tolerancia de las cepas de S. cerevisiae frente a varias condiciones perjudiciales, como las que se encuentran en el proceso de producción de etanol brasileño. El presente estudio evaluó la influencia de la suplementación de aminoácidos en el crecimiento y la viabilidad celular de la cepa industrial CAT-1 en condiciones de estrés etanólico y osmótico (medio YNB con 10 y 12% v / v de etanol y mosto de melaza con 15, 20, 25 y 30% de ART). La suplementación con aminoácidos también se evaluó en melaza de caña de azúcar y fermentaciones de jarabe, empleando reciclaje celular. Los resultados revelaron que la suplementación con aminoácidos tenía efectos distintos sobre el comportamiento fisiológico de la levadura de acuerdo con el medio / mosto suministrado. La suplementación con histidina favoreció la cepa CAT-1 para un mayor crecimiento y viabilidad en los mostos de melaza y jarabe. Los resultados revelaron que la suplementación de 200 mg.L-1 de aminoácidos a partir de aminoácidos, agregados a los diferentes mostos, puede favorecer o depreciar el crecimiento y la viabilidad de la cepa CAT-1 en fermentaciones que simulan condiciones industriales brasileñas. La suplementación con histidina demostró ser la más prometedora para aumentar la tolerancia de la cepa industrial.A suplementação de fontes nitrogenadas pode contribuir para maior tolerância de linhagens de S. cerevisiae frente às diversas condições deletérias, como as que são enfrentadas no processo brasileiro de produção de etanol. O presente estudo avaliou a influência da suplementação de aminoácidos sob o crescimento e a viabilidade celular da linhagem industrial CAT-1 em condições de estresse etanólico e osmótico (meio YNB com 10 e 12% v/v de etanol e mosto de melaço com 15, 20, 25 e 30% de ART). A suplementação de aminoácidos também foi avaliada em fermentações de melaço e xarope de cana-de-açúcar, empregando reciclo (reaproveitamento) de células. Os resultados revelaram que a suplementação com aminoácidos ocasionou efeitos distintos no comportamento fisiológico da levedura de acordo com o meio/mosto fornecido. A suplementação com histidina favoreceu a linhagem CAT-1 para maior crescimento e viabilidade em mostos provenientes tanto de melaço quanto de xarope. Os resultados revelaram que a suplementação de 200 mg.L-1 de nitrogênio amínico proveniente de aminoácidos, adicionada aos diferentes mostos, pode favorecer ou depreciar o crescimento e viabilidade da linhagem CAT-1 em fermentações simulando as condições industriais brasileiras. A suplementação com histidina se mostrou a mais promissora para o aumento da tolerância da linhagem industrial CAT-1. &nbsp

Isolation and selection of yeasts for xylose fermentation

A importância atribuída aos biocombustíveis aumentou de forma drástica nos últimos anos, pois além de reduzir a dependência de petróleo e os gastos com energia fóssil, o uso de fontes de energia renováveis resulta também em uma diminuição significativa das emissões de gases tóxicos para a atmosfera. A biomassa de origem vegetal é uma das mais baratas e abundantes matérias-primas renováveis para o desenvolvimento sustentável e é uma fonte promissora para a produção de biocombustíveis. O bioetanol produzido a partir das frações lignocelulósicas, conhecido como etanol de segunda geração, tem um potencial de mercado promissor como biocombustível. No entanto, a tecnologia do processo ainda está em escala de demonstração. Há grande necessidade de melhorias no processo de produção a fim de reduzir o custo de produção. Caso houvesse a utilização total dos açúcares presentes na biomassa vegetal, existiria uma maior rentabilidade e competitividade, tornando esse processo mais viável. Os polissacarídeos constituintes do material lignocelulósico, como hemicelulose e celulose, por uma reação de hidrólise podem ser transformados em açúcares simples, tais como xilose e glicose, que podem ser utilizados como substrato em processos fermentativos. Algumas linhagens de leveduras não pertencentes ao gênero Saccharomyces possuem a capacidade de bioconversão das pentoses (xilose e arabinose), constituintes da fração hemicelulósica, em etanol. Neste contexto, o presente estudo objetivou isolar leveduras de madeira em fase de decomposição para avaliação das mesmas quanto à capacidade de bioconversão da xilose, principal constituinte da fração hemicelulósica, em etanol. Foram obtidas 83 colônias de leveduras do isolamento, sendo que todas foram inoculadas em meio de xilose como fonte de carbono. Somente onze isolados não apresentaram capacidade de produção de etanol a partir de xilose, os isolados que exibiram essa capacidade apresentaram uma variação de 0,60 até 6,58 g L-1 de etanol. Além dos isolados, quinze linhagens pertencentes a espécies de leveduras já conhecidas como fermentadoras de xilose foram avaliadas quanto à produção de etanol. As linhagens pertencentes às espécies Spathaspora passalidarum (HMD1.3) e Candida shehatae (HM52.2) foram as maiores produtoras de etanol e não apresentaram diferenças significativas entre elas. Dentre todos os isolados obtidos, os isolados I38 e I54 não diferiram entre si, e foram os maiores produtores de etanol. O isolado I38 apresentou resultados significativamente maiores do que as linhagens padrão Spathaspora arborariae HM19.1A e Sheffersomyces stipitis NRRLY7124, enquanto o isolado I54 não diferiu da linhagem padrão HM19.1A, mas foi superior à linhagem NRRLY7124.The importance given to biofuels drastically increased in the last years, because besides reducing oil dependence and spending on fossil energy, the use of renewable energy sources also results in a significant reduction of toxic gas emissions to the atmosphere. Plant biomass is one of the cheapest and most abundant renewable feedstock for sustainable development and is a promising source for biofuel production. Bioethanol produced from lignocellulosic fractions, known as second generation ethanol, have a promising market potential as a biofuel. However, the process technology is still in demonstration scale. There is a great need for improvements in the production process in order to reduce the production cost. If there was a total utilization of sugars in plant biomass, there would be greater profitability and competitiveness, making this process more feasible. The polysaccharides components of lignocellulosic material, such as cellulose and hemicellulose, by hydrolysis reaction can be transformed into simple sugars such as xylose and glucose, which can be used as substrate for fermentation. Some yeast strains not belonging to the genus Saccharomyces have the ability of bioconversion of pentoses (xylose and arabinose), components of the hemicellulose fraction, to ethanol. In this context, the aim of the present study was the isolation of yeasts from decaying wood, to assess their ability in bioconversion of xylose, the main constituent of the hemicellulosic fraction, to ethanol. Eighty-three colonies were obtained from the yeasts isolation, which all were inoculated in media containing xylose as carbon source. Only eleven strains did not showed the ability of ethanol production from xylose, the strains that exhibited this ability varied between 0.60 to 6.58 g L-1 of ethanol. In addition to the isolated strains, fifteen strains belonging to yeast species already known as xylose fermenters were assessed for ethanol production. The strains belonging to the species Spathaspora passalidarum (HMD1.3) and Candida shehatae (HM52.2) were the largest producers of ethanol and showed no significant differences between them. Among all obtained strains from isolation, I38 and I54 did not differed from each other, and were the largest producers of ethanol. The I38 strain showed results significantly higher than the standard strains Spathaspora arborariae HM19.1A and Sheffersomyces stipitis NRRLY7124, while the I54 strain did not differed from the standard strain HM19.1A, but was higher than the strain NRRLY7124

Increasing Saccharomyces cerevisiae tolerance to stressing factors of ethanolic fermentation: modified strains and amino acid supplementation

O aumento da participação dos biocombustíveis na matriz energética mundial pode ajudar a prolongar a existência das reservas de petróleo, mitigar as ameaças representadas pela mudança climática e permitir melhor segurança do fornecimento de energia em uma escala global. Neste cenário, o processo brasileiro da produção de etanol a partir da cana-de-açúcar tem ganhado papel de destaque, pelo alto rendimento e baixo custo da produção. Linhagens de S. cerevisiae são amplamente empregadas nas fermentações industriais e, embora sejam consideradas mais tolerantes em relação a outras, o processo brasileiro impõe uma variedade de fatores estressantes sob a mesma, afetando o seu metabolismo e crescimento. A fermentação com alto teor alcoólico, realizada a partir da utilização de mostos contendo altas concentrações de açúcares, é uma das maneiras mais eficientes de se obter elevados níveis de etanol. No entanto, tal tecnologia procede ocasionando efeitos deletérios adicionais à levedura. Neste contexto, aumentar a tolerância da levedura é de fundamental importância para alcançar um desempenho fermentativo satisfatório. Neste estudo foram avaliadas linhagens de S. cerevisiae, isogênicas a linhagem industrial CAT-1, com a sobre-expressão dos genes TRP1 e MSN2, envolvidos na biossíntese de triptofano e na resposta geral ao estresse, respectivamente. Tais linhagens foram avaliadas quanto ao seu potencial para realizar fermentações com alto teor alcoólico, simulando as condições industriais brasileiras. Os resultados revelaram que o gene MSN2, na versão truncada, favoreceu a linhagem principalmente com relação ao estresse osmótico, aumentando a velocidade de fermentação e o consumo de açúcares. O gene TRP1 promoveu maior crescimento da linhagem em meio YEPD com 8% de etanol, contudo, tornou a linhagem menos viável em concentrações acima deste nível. No presente trabalho também foi avaliado o efeito da suplementação de aminoácidos na fisiologia da linhagem CAT-1 em meio YNB e em mostos de melaço e xarope de cana-de-açúcar. A suplementação com histidida promoveu maior crescimento e viabilidade celular nos diferentes meios testados. Além de histidina, os aminoácidos lisina e alanina aumentaram o crescimento da CAT-1 em mosto de melaço. A suplementação de triptofano e asparagina também promoveu aumento da viabilidade celular em mosto de xarope. Por outro lado, nos testes em microplacas a suplementação com cisteína depreciou o crescimento da linhagem em meio YNB com 10 e 12% de etanol e em mosto de melaço com 20% de ART. Os resultados obtidos indicam que tanto a engenharia genética, quanto a suplementação de aminoácidos podem ser alternativas viáveis para aumentar a tolerância de S. cerevisiae, para suportar condições de múltiplo estresse, encontradas em destilarias brasileiras.The expansion biofuels participation in the world energy matrix would help to extend the existence of fossil fuel reservoirs, mitigate the threats of climate change, and enable a better security of energy supply. The Brazilian process of ethanol production from sugarcane has gained an important role in the global energy scenario, for the high yield and low production cost. S. cerevisiae species is widely used in industrial fermentations for being resistant, but the Brazilian process imposes a variety of stressing factors to the yeast, affecting its metabolism and growth. The Very High Gravity Fermentation is performed by the utilization of musts with high sugar concentration and is one of the most efficient ways for obtaining high ethanol levels. However, this technology causes additional deleterious effects to the yeast. In this context, increasing yeast tolerance is of fundamental importance for a satisfactory fermentative performance. In this study we assessed S. cerevisiae strains - isogenic to the industrial strain CAT-1 - with over expression of TRP1 and MSN2 genes involved to tryptophan biosynthesis and in general stress response, respectively. These strains were evaluated for their potential to perform fermentations with high ethanol content, simulating the conditions of Brazilian distilleries. The results showed that the MSN2 gene in the truncated version improved strain mainly to respond to the osmotic stress, increasing in fermentation velocity and the consumption of sugars. The TRP1 gene overexpression promoted higher growth in YEPD medium with 8% ethanol, however, decreased viability at concentrations above this level. The present work also evaluated the effect of amino acid supplementation on the physiology of the CAT-1 strain in YNB medium and in molasses and syrup of sugarcane. Histidide supplementation increased the growth and cell viability in the different media tested. In addition to histidine, the amino acids lysine and alanine increased the growth of CAT-1 in molasses. Supplementation of tryptophan and asparagine also promoted increased cell viability in sugarcane syrup. On the other hand, in microplate assays, cysteine supplementation decreased growth in YNB medium with 10 and 12% ethanol, and in molasses with 20% ART. The results indicate that both genetic engineering and amino acid supplementation may be viable alternatives to increase tolerance of S. cerevisiae to supporting multiple stress conditions typical in Brazilian distilleries

Entomopathogenic Fungi-Mediated AgNPs: Synthesis and Insecticidal Effect against Plutella xylostella (Lepidoptera: Plutellidae)

The insect Plutella xylostella is known worldwide to cause severe damage to brassica plantations because of its resistance against several groups of chemicals and pesticides. Efforts have been conducted to overcome the barrier of P. xylostella genetic resistance. Because of their easy production and effective insecticidal activity against different insect orders, silver nanoparticles are proposed as an alternative for agricultural pest control. The use of entomopathogenic fungi for nanoparticle production may offer additional advantages since fungal biomolecules may synergistically improve the nanoparticle's effectiveness. The present study aimed to synthesize silver nanoparticles using aqueous extracts of Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae, and Isaria fumosorosea isolates and to evaluate their insecticidal activity against P. xylostella, as innovative nano-ecofriendly pest control. The produced silver nanoparticles were evaluated by measuring the UV-vis spectrum and the mean particle size by dynamic light scattering (DLS). I. fumosorosea aqueous extract with 3-mM silver nitrate solution showed the most promising results (86-nm mean diameter and 0.37 of polydispersity). Scanning electron microscopy showed spherical nanoparticles and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy revealed the presence of amine and amide groups, possibly responsible for nanoparticles' reduction and stabilization. The CL50 value of 0.691 mg mL-1 was determined at 72-h for the second-instar larvae of the P. xylostella, promoting a 78% of cumulative mortality rate after the entire larval stage. From our results, the synthesis of silver nanoparticles mediated by entomopathogenic fungi was successful in obtaining an efficient product for insect pest control. The I. fumosorosea was the most suitable isolate for the synthesis of silver nanoparticles contributing to the development of a green nanoproduct and the potential control of P. xylostella.This research was funded by the Banco do Nordeste (Convênio BNB FUNDECI 2017.0016 - Project: “Desenvolvimento de nanobioinseticida preparada a partir de óleo essencial de laranja com aplicação no controle de insetos na agricultura”), Coordenação Aperfeiçoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Sergipe (FAPITEC), and Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).Peer reviewe