Development of cell factories for the efficient production of mannosylglycerate, a thermolyte with great potential in biotechnology

Mannosylglycerate (MG) is a compatible solute implicated in the response to osmotic or heat stresses in many marine microorganisms adapted to hot environments. MG shows a remarkable ability to protect model proteins, especially against heat denaturation; however, high production costs prevented the industrial exploitation of these features. This thesis has two main objectives: i) to assess the efficacy of MG as protein stabilizer in the intracellular milieu; and ii) to develop a bio-based process for production of MG at competitive cost. The first goal was achieved by using a yeast model of Parkinson’s disease in which an aggregation-prone protein, eGFP-tagged α-synuclein, was expressed along with the biosynthetic activities that catalyze the formation of MG from GDP-mannose and 3-phosphoglycerate. There was a reduction of 3.3-fold in the number of cells containing fluorescent foci of α-synuclein, in comparison with a control strain without MG. It was also proven that inhibition of aggregation was due to direct MG-protein effects, i.e., MG acted in vivo as a chemical chaperone. This opened a way for drug development against diseases related with protein misfolding. Towards the second objective, genes PMI40 and PSA1 of the GDP-mannose pathway were over-expressed in the industrial microorganism, Saccharomyces cerevisiae, to redirect metabolic flux towards that MG precursor. This strategy led to 2.2-fold increase in MG production (15.86 mgMG.gDW-1) for cells cultivated in controlled batch mode. Further improvement was achieved by cultivation in chemostat mode at a dilution rate of 0.15 h-1; a constant productivity of 1.79 mgMG.gDW-1h-1 was reached. Next, a holist approach was undertaken by using in silico tools to identify engineering strategies that would lead to efficient channeling of substrates to MG production. The proposed strains were constructed and characterized in batch fermentation and continuous mode and led to an improved MG production of 25.3 mgMG.gDW-1 and 3.4 mgMG.L-1h-1, respectively

Engineering Saccharomyces cerevisiae for the production of mannosylglycerate: a yeast model for assessing its application in the protein stabilization

Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010Mannosylglycerate (MG) is an osmolyte widespread in microorganisms adapted to hot environments. The effect of MG on the protection of model proteins against heat-induced denaturation and aggregation has been amply demonstrated in vitro. These characteristics make MG a valuable compound in biotechnological applications. However, the practical application of MG is hampered by the high production cost. In this work, we engineered Saccharomyces cerevisiae for the production of MG. Two strains (VSY71 and CEN.PK2) and several carbon sources were examined to optimize the production of MG. Using glucose as carbon source, the strain VSY71 accumulated 90 μmol MG/g of dry mass, an increase of 2-fold compared with strain CEN.PK2. The effect of several carbon sources (sucrose, mannose, galactose and raffinose) on MG production by strain VSY71 was also investigated. Synthesis of MG (28.1 μmol/g of dry mass) was detected with sucrose only. In addition to the biotechnological importance of being a MG producer, this strain can serve as a platform to assess protein stabilization by osmolytes in vivo. Therefore, we used it to evaluate the effect of MG on the aggregating-prone protein, α-synuclein (α-Syn). For that, the S. cerevisiae strain VSY72, harboring two copies of α-Syn-EGFP integrated in the genome, was engineered to synthesize MG. As a control, a mutant transformed with the empty MG-plasmid was also constructed. The accumulation of MG (20 μmol/g of dry mass) prior to α-Syn over-production clearly reduced the formation of inclusions of this protein; moreover, the formation of reactive oxygen species induced by α-Syn overproduction decreased in the MG-producing strain. Additionally, when MG accumulation was induced in cells harboring large inclusions of α-Syn there was an effective solubilization of these forms. This work clearly shows that MG inhibits the aggregation of α-Syn and promotes the solubilization of α-Syn inclusions in vivo.Microrganismos adaptados a proliferar optimamente em ambientes com temperatura elevada são designados termófilos ou hipertermófilos, consoante a temperatura óptima de crescimento se situa entre 60oC e 80oC ou acima de 80oC, respectivamente. Estes organismos tem sido isolados a partir de amostras de zonas geotermais, quer terrestres quer marinhas, superficiais ou de profundidade, bem como de ambientes aquecidos artificialmente. Tal como a maioria dos microrganismos halofílicos ou halotolerantes, os microrganismos termofílicos e hipertermofílicos provenientes de ambientes marinhos acumulam compostos orgânicos denominados “solutos compatíveis” para contrabalançar a pressão osmótica exterior. São moléculas de baixa massa molecular, com elevada solubilidade em água e que podem atingir concentrações elevadas no interior das células (da ordem de 1 M) sem interferirem negativamente com as funções celulares. Para alem da sua função na adaptação a flutuações na osmolaridade do meio exterior, alguns destes solutos são preferencialmente acumulados em resposta a temperaturas supra-óptimas. Além disso, os solutos tipicos de (hiper)termófilos são quimicamente diferentes dos que geralmente são encontrados em organismos mesofílicos, nomeadamente no que se refere a carga eléctrica da molécula que é negativa nos primeiros e neutra nos segundos. Este conjunto de observações levou a hipótese de que os solutos compatíveis de (hiper)termófilos desempenhariam um papel relevante na protecção de componentes celulares contra os efeitos desnaturantes provocados por temperaturas elevadas. Manosilglicerato e um dos solutos compatveis mais frequentemente encontrado em microrganismos adaptados a ambientes quentes. Foi identificado inicialmente em Rhodothermus marinus, uma bacteria termofílica isolada de uma nascente geotermal dos Açores, mas posteriormente foi detectado em muitos outros (hiper)termófilos (trabalho da nossa equipa). A maioria dos organismos estudados acumula este soluto em resposta a stress osmótico, no entanto acumulação em resposta a stress térmico tem sido observada em alguns casos. Ensaios in vitro com proteínas modelo mostraram que manosilglicerato actua como estabilizador, exibindo capacidade termoprotectora muito superior a da trealose, um soluto caracteristico de organismos iv mesófilos. Manosilglicerato tem-se revelado um excelente protector da estrutura de proteínas, impedindo a sua desnaturação e subsequente agregação, bem como a perda de actividade no caso de enzimas. Por estas razões, o manosilglicerato tem grande potencialidade de aplicação, nomeadamente na industria cosmética, como hidratante e protector solar, na conservação de vacinas durante armazenamento e transporte, como estabilizador de enzimas em “kits” clínicos e analíticos e na estabilização de proteínas usadas em biosensores. Em particular, manosilglicerato aumenta o tempo de vida de vectores retrovirais e melhora a sensibilidade em metodologias com microgrelhas de DNA. Trata-se portanto de um composto valioso sob o ponto de vista biotecnológico. Contudo, a produção de manosilglicerato e actualmente um processo altamente dispendioso, uma vez que o seu isolamento e realizado a partir da biomassa de um produtor natural, Rhodothermus marinus, que acumula apenas 15 g por kg de biomassa húmida (resultados não publicados). Neste contexto, torna-se premente o desenvolvimento de um produtor industrial de manosilglicerato de modo a conseguir custos de produção competitivos. A estrategia mais promissora envolverá necessariamente a manipulação genética de uma estirpe industrial (nomeadamente, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Bacillus subtilis) de modo a dotá-la com a capacidade para produzir manosilglicerato em larga escala. Esta tarefa é exequível visto que os genes envolvidos na síntese deste composto são conhecidos. Um dos objectivos do presente trabalho foi melhorar a produção de manosilglicerato usando uma organismo industrial. Para tal seleccionou-se a estirpe S. cerevisiae VSY71 que foi transformada com o plasmídeo (p425::mgsD), contendo o gene que codifica a enzima bifuncional manosil-3-fosfoglicerato sintase/fosfatase da bactéria mesofílica Dehalococcoides ethenogenes. Esta enzima sintetiza manosilglicerato a partir de GDP-manose e 3-fosfoglicerato. Estratégia idêntica tinha sido anteriormente seguida usando como hospedeiro a estirpe CEN.PK2 (Empadinhas et al., 2004), pelo que transformamos CEN.PK2 também com p425::mgsD e usámo-la para fins de comparação de produção. Para optimização da produção de manosilglicerato usou-se S. cerevisiae estirpe VSY71, contendo o plasmídeo para a síntese de manosilglicerato, e testaram-se varias fontes de carbono e varias salinidades no meio de crescimento. Os substratos rafinose, manose e galactose não conduziram a síntese de manosilglicerato, apesar de suportarem crescimento celular ainda que com velocidades de crescimento inferiores as registadas em glucose. Células cultivadas em sucrose acumularam 28 μmol de manosilglicerato por grama de biomassa seca. Produção maxima, 90 μmol de manosilglicerato por grama de biomassa seca, foi observada usando glucose como v fonte de carbono. Este valor é cerca de duas vezes superior à produção de manosilglicerato observada com a estirpe S. cerevisiae CEN.PK2. Os resultados mostram que a produção de manosilglicerato depende em grande medida da estirpe utilizada pelo que há todo um trabalho de rastreio de colecções de S. cerevisiae que será susceptível de conduzir a produções de manosilglicerato consideravelmente superiores. Mesmo assim, vale a pena destacar que a estratégia seguida neste trabalho conduziu a um melhoramento considerável da produção específica em comparação com a estratégia descrita na literatura. Um segundo objectivo deste trabalho foi avaliar a eficácia de manosilglicerato na estabilização de proteínas in vivo, ou seja, no meio extremamente viscoso e com elevada concentração molecular que constitui o citoplasma celular. O esforco investido neste tópico teve uma dupla finalidade: i) encontrar novas aplicações para manosilglicerato, eventualmente relacionadas com abordagens para prevenir agregação proteica induzida por erros no enrolamento de cadeias polipeptídicas; ii) e obter evidência experimental para apoiar a hipótese de que manosilglicerato exerce de facto um papel protector da estrutura de proteínas in vivo. Para realizar este objectivo usou-se um modelo de levedura para a doenca de Parkinson, no qual o gene codificante da α-Sinucleína humana (fundido com o gene codificante para uma proteína super-fluorescente) foi super-expresso em S. cerevisiae VSY72, onde também foi expresso o gene para a síntese de manosilglicerato. As células recombinantes produziram α-Sinucleína e manosilglicerato, permitindo comparar o efeito da presenca e ausência de manosilglicerato na agregação de α-Sinucleína em ambiente intracelular. α-Sinucleína e uma proteína encontrada apenas no cerebro de mamíferos. Embora a sua função fisiológica seja desconhecida, sabe-se que esta associada a varias doenças neurodegenerativas (doenca de Parkinson entre outras menos comuns) visto ser um dos componentes dos agregados proteicos que caracterizam estas patologias. α-Sinucleína e uma proteína intrinsecamente desenrolada, isto e, a forma nativa não tem estrutura definida. A proteína tem tendência para auto-associação formando em muitos casos estruturas fibrilares, designadas amiloides. Quando produzida na levedura S. cerevisiae, por manipulação genetica, a α-Sinucleína e transportada para a membrana plasmatica onde se ancora. A super-produção desta proteína leva a formação, perto da membrana, de pequenas inclusões citoplasmaticas que aumentam progressivamente de tamanho, originando grandes inclusões, visiveis por microscopia de fluorescência. Neste trabalho, usamos a estirpe VSY72 que contem duas copias do gene da α-Sinucleína integradas no cromossoma e que foi transformada com o plasmídeo que contém o gene que codifica para a síntese do manosilglicerato. Como controlo foi usada a estirpe VSY72 transformada com o plasmídeo vazio. A produção de manosilglicerato e regulada por um promotor constitutivo, enquanto que a produção de α-Sinucleína e controlada por um promotor sensivel a galactose. A acumulação intracelular de manosilglicerato (20 μmol por grama de biomassa seca) reduziu em 3,5 vezes o numero de células com inclusões de α-Sinucleína, em comparação com a estirpe controlo (incapaz de sintetizar manosilglicerato). Estes resultados referem-se a células examinadas dez horas após indução da produção de α-Sinucleína. Tivemos o cuidado de verificar que as duas estirpes apresentam niveis semelhantes de produção de α-Sinucleína (análises por “western blot”). Em paralelo, monitorizaram-se os niveis de especies reactivas de oxigénio induzidas pela produção excessiva de α-Sinucleína. Os resultados mostraram que a presenca de manosilglicerato no citoplasma causou uma diminuição no nivel de espécies reactivas de oxigénio em comparação com o controlo. Por outras palavras, ao prevenir a formação de inclusões de α-Sinucleína, o manosilglicerato diminuiu também o nível de stress oxidativo associado ao processo de super-expres são da proteína, possivelmente promovendo a estabilização de formas nativas de α-Sinucleína, supostamente com menor toxicidade para a célula. Tendo-se demonstrado o efeito inibitório de manosilglicerato na formação de inclusões de α-Sinucleína, pôs-se a questão de saber se este composto teria também efeito ao nível da solubilização de inclusões pré-formadas. Para tal, a produção de α-Sinucleína foi induzida nove horas antes da indução da síntese de manosilglicerato, por permuta de meio contendo galactose para meio fresco contendo glucose como única fonte de carbono. Os resultados obtidos mostraram que o manosilglicerato tem uma acção de chaperona molecular, promovendo a desagregação das inclusões de α-Sinucleína: uma hora apos indução da síntese de manosilglicerato o numero de inclusões visíveis por microscopia de fluorescência era 2,8 vezes inferior ao detectado em células controlo. O efeito do manosilglicerato na prevenção/solubilização de inclusões de α-Sinucleína pode ser atribuido a activação de mecanismos celulares que conduzem a degradação de formas anormais de α-Sinucleína, ou que promovem o seu enrolamento correcto. Alternativamente, o efeito benéfico observado pode resultar de uma interacção directa soluto/proteína que estabilize preferencialmente a estrutura nativa da α-Sinucleína, prevenindo assim a formação de inclusões. Os resultados descritos nesta tese não permitem tirar conclusões definitivas sobre o tipo de mecanismo envolvido, no entanto a observação de efeitos semelhantes em ensaios in vitro monitorizados por microscopia electrónica (resultados de outros membros da equipa) fundamentam a hipotese de que interacções directas manosilglicerato/proteína terão uma contribuição relevante quer in vivo quer in vitro

A participação dos alunos nas aulas de educação física e nas sessões de actividade física e desportiva no 1.º ciclo do ensino básico

A participação dos alunos nas aulas de Educação Física (EF) e nas Actividades Físicas e Desportivas (AFD) no 1.º Ciclo do Ensino Básico tem vindo a ser um tema objecto de estudo e investigação por autores desta área. Partindo da problemática - Será que os alunos participam de igual forma nas aulas de EF e nas sessões de AFD? – estabelecemos como objectivos do nosso estudo: i) conhecer as expectativas e percepções dos alunos face às aulas EF e às sessões de AFD; ii) identificar os níveis de participação dos alunos nas aulas de EF e nas sessões de AFD; iii) caracterizar as formas de participação dos alunos ao longo das aulas de EF e nas sessões de AFD; iv) promover nos alunos a reflexão sobre a sua participação nas aulas de EF e nas sessões de AFD e v) compreender se as sessões de AFD substituem as aulas de EF. O grupo de estudo era constituído por seis alunos de ambos os sexos. Foram observados ao longo de um mês em quatro aulas de EF e quatro sessões de AFD, com diferenciadas actividades dominantes. Para a recolha dos dados, a par dos instrumentos audiovisuais recorreu-se a um instrumento de observação já validado (Sarmento et al. 1993), constituído por onze categorias de análise das actividades dominantes (AM – Actividade Motora, D – Demonstração, Aj – Ajuda, M – Manipulação do Material, DI – Deslocamentos, Ai – Atenção à Informação, E – Espera, Cft – Comportamento Fora da Tarefa, Iv – Interacções Verbais, Af – Afectividade, Oc – Outros Comportamentos). No final de cada aula de EF e sessão de AFD, os alunos realizaram registos pessoais reflexivos sobre as suas prestações e do que se propunham fazer numa próxima aula ou sessão, construindo desta forma um diário pessoal. Aplicou-se ainda um inquérito a todos os alunos, com o objectivo de recolher informação acerca das expectativas e percepções dos alunos perante esta área do currículo. O estudo evidenciou que os alunos participaram mais nas aulas de EF do que nas sessões de AFD e que a sua participação foi maior nas aulas com actividade dominante centrada no bloco programático Actividades Rítmicas e Expressivas e participando menos nas dos blocos Jogos e Ginástica.The participation of students in the Physical Education (PE) lessons and Sport and Physical Activities (SPA) sessions in the 1st cycle of basic education has been a topic increasingly discussed and reflected by authors in this area. On the question - Do the students participate equally in the PE lessons and in the SPA sessions? - were established for purposes of this study research: to know the expectations and perceptions of students regarding the PE class and the SPA sessions; identifying the level of participation of students in this classes and sessions; characterize the forms of participation of students during the PE lessons and SPA sessions; promoting student’s reflection about their participation in the PE lessons and SPA sessions; and understand if the SPA sessions replace the PE lessons. The study group was constituted by six students of both sexes. They were observed over a month in four classes of PE and four sessions of SPA, with different activities dominant. For data collection, along with audiovisual tools was used an observation instrument already validated by Sarmento, et al (1993), constituted by eleven categories of analysis activities dominant (AM - motor activity; D – demonstration; Aj – help; M - the material handling; DL – displacements; Ai – attention to the information; E – Wait; Cft - behavior outside task; Iv - verbal interactions; Af – affection; Oc - other behaviors). At the end of each PE lessons and SPA sessions, all students achieved personal records reflective about their participation and what they proposed to do in the next class or session, thus they built a personal diary. It was also applied a questionnaire to all students, in order to gather information about the expectations and perceptions of students in this area of the curriculum. This study showed that students participated more in the PE lessons than in the SPA sessions and that students participate more in classes where the programming block is rhythmic and expressive activities, and participate less in blocks Games and Gymnastics

Captive-born collared peccary (Pecari tajacu, Tayassuidae) fails to discriminate between predator and non-predator models

Captive animals may lose the ability to recognize their natural predators, making conservation programs more susceptible to failure if such animals are released into the wild. Collared peccaries are American tayassuids that are vulnerable to local extinction in certain areas, and conservation programs are being conducted. Captive-born peccaries are intended for release into the wild in Minas Gerais state, southeastern Brazil. In this study, we tested the ability of two groups of captive-born collared peccaries to recognize their predators and if they were habituated to humans. Recognition tests were performed using models of predators (canids and felids) and non-predators animals, as well as control objects, such as a plastic chair; a human was also presented to the peccaries, and tested as a separate stimulus. Anti-predator defensive responses such as fleeing and threatening displayswere not observed in response to predator models. Predator detection behaviors both from visual and olfactory cues were displayed, although they were not specifically targeted at predator models. These results indicate that collared peccaries were unable to recognize model predators. Habituation effects, particularly on anti-predator behaviors, were observed both with a 1-h model presentation and across testing days. Behavioral responses to humans did not differ from those to other models. Thus, if these animals were to be released into the wild, they should undergo anti-predator training sessions to enhance their chances of survival

The diversity and evolution of pollination systems in large plant clades: Apocynaceae as a case study

Background and Aims Large clades of angiosperms are often characterized by diverse interactions with pollinators, but how these pollination systems are structured phylogenetically and biogeographically is still uncertain for most families. Apocynaceae is a clade of >5300 species with a worldwide distribution. A database representing >10 % of species in the family was used to explore the diversity of pollinators and evolutionary shifts in pollination systems across major clades and regions. Methods The database was compiled from published and unpublished reports. Plants were categorized into broad pollination systems and then subdivided to include bimodal systems. These were mapped against the five major divisions of the family, and against the smaller clades. Finally, pollination systems were mapped onto a phylogenetic reconstruction that included those species for which sequence data are available, and transition rates between pollination systems were calculated. Key Results Most Apocynaceae are insect pollinated with few records of bird pollination. Almost three-quarters of species are pollinated by a single higher taxon (e.g. flies or moths); 7 % have bimodal pollination systems, whilst the remaining approx. 20 % are insect generalists. The less phenotypically specialized flowers of the Rauvolfioids are pollinated by a more restricted set of pollinators than are more complex flowers within the Apocynoids + Periplocoideae + Secamonoideae + Asclepiadoideae (APSA) clade. Certain combinations of bimodal pollination systems are more common than others. Some pollination systems are missing from particular regions, whilst others are over-represented. Conclusions Within Apocynaceae, interactions with pollinators are highly structured both phylogenetically and biogeographically. Variation in transition rates between pollination systems suggest constraints on their evolution, whereas regional differences point to environmental effects such as filtering of certain pollinators from habitats. This is the most extensive analysis of its type so far attempted and gives important insights into the diversity and evolution of pollination systems in large clades

ATLANTIC-PRIMATES: a dataset of communities and occurrences of primates in the Atlantic Forests of South America

Primates play an important role in ecosystem functioning and offer critical insights into human evolution, biology, behavior, and emerging infectious diseases. There are 26 primate species in the Atlantic Forests of South America, 19 of them endemic. We compiled a dataset of 5,472 georeferenced locations of 26 native and 1 introduced primate species, as hybrids in the genera Callithrix and Alouatta. The dataset includes 700 primate communities, 8,121 single species occurrences and 714 estimates of primate population sizes, covering most natural forest types of the tropical and subtropical Atlantic Forest of Brazil, Paraguay and Argentina and some other biomes. On average, primate communities of the Atlantic Forest harbor 2 ± 1 species (range = 1–6). However, about 40% of primate communities contain only one species. Alouatta guariba (N = 2,188 records) and Sapajus nigritus (N = 1,127) were the species with the most records. Callicebus barbarabrownae (N = 35), Leontopithecus caissara (N = 38), and Sapajus libidinosus (N = 41) were the species with the least records. Recorded primate densities varied from 0.004 individuals/km 2 (Alouatta guariba at Fragmento do Bugre, Paraná, Brazil) to 400 individuals/km 2 (Alouatta caraya in Santiago, Rio Grande do Sul, Brazil). Our dataset reflects disparity between the numerous primate census conducted in the Atlantic Forest, in contrast to the scarcity of estimates of population sizes and densities. With these data, researchers can develop different macroecological and regional level studies, focusing on communities, populations, species co-occurrence and distribution patterns. Moreover, the data can also be used to assess the consequences of fragmentation, defaunation, and disease outbreaks on different ecological processes, such as trophic cascades, species invasion or extinction, and community dynamics. There are no copyright restrictions. Please cite this Data Paper when the data are used in publications. We also request that researchers and teachers inform us of how they are using the data. © 2018 by the The Authors. Ecology © 2018 The Ecological Society of Americ

Exploring Xylella fastidiosas metabolic traits using a GSM model of the phytopathogenic bacterium

The model presented in this work can be found in BioModels [26] with the identifier MODEL2205020002. To access the model: – Visit https://www.ebi.ac.uk/biomodels/login/auth. – Log in with the username reviewerForMODEL2205020002 and password DEMPB4. – Access https://www.ebi.ac.uk/biomodels/MODEL2205020002 to view the model.Xylella fastidiosa is a gram-negative phytopathogenic bacterium able to infect over 500 plant species, with devastating consequences for agricultural and forest-based economies. In the last decade, genome-scale metabolic (GSM) models have become important systems biology tools for studying the metabolic behaviour of different organisms. In this work, a GSM model of X. fastidiosa subsp. pauca De Donno is presented, comprising 1164 reactions, 1379 metabolites, and 508 genes. The model was validated by comparing in silico simulations with available experimental data. The GSM model allowed identifying potential drug targets using a pipeline based on a gene essentiality analysis of the model.This study was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under the scope of the strategic funding of UIDB/04469/2020 unit. A. Oliveira (DFA/BD/10205/2020), E. Cunha (DFA/BD/8076/2020) hold a doctoral fellowship provided by the FCT. Oscar Dias acknowledge FCT for the Assistant Research contract obtained under CEEC Individual 2018.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Aura-like features and photophobia in sightless migraine patients

Migraine is a central nervous system disorder frequently expressed with paroxysmal visual dysfunctions. Objective To test the hypothesis that normal visual input is vital for the migrainous aura and photophobia. Method We studied the migraine-related visual disturbances in 8 sightless migraineurs identified among 200 visually impaired subjects. Results The main findings were the visual aura and photophobia disappearance along with blindness development, the oddness of aura – too short, colourful (e.g. blue or fire-like), auditory in nature or different in shape (round forms) – and the lack of photophobia. Conclusion We propose that the aura duration should be accepted as shorter in visually impaired subjects. The changes in aura phenotype observed in our patients may be the result of both cerebral plasticity induced by the visual impairment and/or the lack of visual input per se. Integrity of visual pathways plays a key role in migraine visual aura and photophobia

Curcumin biosynthesis from ferulic acid by engineered Saccharomyces cerevisiae

Background and Goal Curcumin is a polyphenolic compound found in Curcuma longa. This bioactive molecule has several reported health-benefit effects, being the anticarcinogenic activity among the most promising ones. However, curcumin extraction from natural sources is hampered by impure products obtained from harsh chemicals and limited by plant seasonality and high prices. Therefore, curcumin heterologous production emerged as an interesting alternative. Escherichia coli has been explored as chassis but the implementation of the pathway in Saccharomyces cerevisiae can have several advantages, including its generally regarded as safe status. Hence, S. cerevisiae was engineered for the first time to produce curcumin from its precursor ferulic acid. Methods and Results The enzymes 4-coumarate-CoA ligase (4CL1) from Arabidopsis thaliana or feruloyl-CoA synthetase (FerA) from Pseudomonas paucimobilis and type III polyketide synthases (PKSs) from Oryza sativa or C. longa were expressed in BY4741 strain. To avoid ferulic acid deviation, the gene FDC1 coding a ferulic acid decarboxylase was deleted. The maximum curcumin titer was obtained with FerA combined with C. longa PKSs (2.7 mg L1). Conclusions and Implications Up to our knowledge, this is the first work reporting the expression of a feruloyl-CoA synthase and also curcuminoid biosynthetic enzymes in S. cerevisiae, and consequently, curcumin production.This study was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under the scope of the strategic funding of UIDB/BIO/04469/2020 unit. J.R. is recipient of a fellowship supported by a doctoral advanced training (SFRH/BD/138325/2018) funded by FCT.info:eu-repo/semantics/publishedVersio