Dissertação de mestrado em BioinformaticsSystems biology studies biological processes on a global scale, involving different omics. It
uses bioinformatic approaches, such as the reconstruction of genome-scale metabolic models to
understand the biological system of a cell, organism, or microbial community. Genome-scale
metabolic models are metabolic models based on the well-known stoichiometry of biochemical
reactions. It offers a whole system view, predicting the metabolic phenotype, based on the
genome and biochemical information. These models haves several applications in different
areas such as biotechnological and pharmaceutical.
Lambic beers are commercial beers from Belgium that still use old brewing styles. This
type of beer is gaining interest worldwide due to its unique flavour profile obtained by a
mixed yeast-bacteria culture fermentation. Therefore, in this thesis, the lactic acid bacterium
Pediococcus damnosus and Brettanomyces bruxellensis yeast, which play an important role in the
acidification and maturation phase of the lambic beer fermentation, will be studied. Pediococcus
damnosus is a gram-positive bacterium belonging to the lactic acid bacteria group commonly
found in brewery environments. Pediococcus damnosus produces only lactate by the sugar
metabolism, which confers an acidic and tart flavour to the beer. In turn, Brettanomyces
bruxellensis is a facultatively anaerobic yeast, also responsible for the typical aroma of lambic
beer. It uses several carbon sources and produces several volatile phenolic compounds not
desired in common fermentations crucial in this type of beer.
Usually, in nature, the microorganisms appear in communities. Thus, the study of microbial
communities is essential to understand their development, interaction and evolution. The main
aim of this thesis is to unveil the production of metabolites with flavour enhancement in the
acid lambic beer through the reconstruction and simulation of genome-scale metabolic models
for each microorganism and therefore for the microbial community composed by them, to
understand the interactions between the species and how these affects the lambic beer flavour.
Two genome-scale metabolic models were reconstructed: the model of the bacterium Pediococcus
damnosus and the model of the yeast Brettanomyces bruxellensis. The tool used for
model reconstruction was merlin, which automates several reconstruction processes and having
a user-friendly interface. The Pediococcus damnosus genome-scale metabolic model consists
of 809 reactions and 589 metabolites. In turn, the Brettanomyces bruxellensis genome-scale
metabolic model has 2095 reactions and 1249 metabolites. In the simulations performances, the
genome-scale metabolic models showed the ability to grow in the minimal medium provided,
as described in the literature. Furthermore, simulations predicted the production of certain
compounds, such as butanediol in the bacterium Pediococcus damnosus and 4-ethylphenol in the
yeast B. bruxellensis, which may influence the Lambic beer flavour. Interactions between the
genome-scale metabolic models, especially amino acid exchanges, were predicted. The model of the Pediococcus damnosus-Brettanomyces bruxellensis community was assembled using ReFramed.
The community model’s simulation results show that the interaction of these microorganisms
results in the production of compounds that may flavour and thus be responsible for the unique
flavour profile of Lambic beer.A biologia de sistemas estuda os processos biológicos numa escala global, envolvendo diferentes
ómicas. Utiliza abordagens bioinformáticas, como a construção de modelos metabólicos
à escala genómica, de modo a perceber o sistema biológico de uma célula, organismo ou comunidade
microbiana. Os modelos metabólicos à escala genómica são baseados na estequiometria
bem conhecida das reações bioquímicas de um dado organismo. Oferece uma perspetiva do
sistema como um todo, sendo capaz de prever o fenótipo do metabolismo, baseando-se no
genoma e em informações bioquímicas. Estes modelos tem várias aplicações em diferentes
áreas como a indústria biotecnológica e farmacêutica.
As cervejas lambic são cervejas comerciais típicas da Bélgica que ainda utilizam processos de
produção de cerveja antigos. Esta cerveja tem vindo a ganhar interesse a nível mundial devido
ao seu perfil aromático único que é obtido através da fermentação de uma cultura de bactérias
e leveduras. Nesta tese serão estudadas a bactéria ácida láctica Pediococcus damnosus e a
levedura Brettanomyces bruxellensis, que possuem um papel importante nas fases de acidificação
e maturação da fermentação desta cerveja.
Pediococcus damnosus é uma bactéria gram-positiva que pertence ao grupo das bactérias
ácidas lácticas e é geralmente encontrada em ambientes de fermentação de cerveja. A bactéria
Pediococcus damnosus produz apenas lactato pelo metabolismo dos açucares, conferindo um
sabor ácido e azedo à cerveja. Por sua vez, a levedura Brettanomyces bruxellensis é uma
levedura anaeróbica facultativa, também responsável pelo aroma típico da cerveja lambic.
Utiliza inúmeras fontes de carbono e produz muitos compostos fenólicos voláteis que não
são desejados em fermentações comuns, mas são cruciais neste tipo de cerveja. Geralmente,
os microrganismos aparecem na natureza, em comunidades. O estudo de comunidades
microbianas é importante para perceber o seu desenvolvimento, interação e evolução. O objetivo
desta dissertação de mestrado é encontrar metabolitos que conferem o aroma característico
da cerveja ácida lambic, de modo a melhorar a sua produção, usando para isso construção
e simulação de modelos metabólicos à escala genómica para cada microrganismo e para
a comunidade microbiana, de forma a perceber as interações entre espécies e como estas
influenciam o aroma da cerveja lambic.
Assim foram construídos dois modelos metabólicos à escala genomA ferramenta utilizada
para a construção destes modelos metabólicos à escala genómica foi o merlin, uma vez que
automatiza vários processo de construção e possui um interface intuitiva. O modelo metabólico
à escala genómica da bactéria Pediococcus damnosus é constituído por 809 reações e 589 metabolitos.
Por sua vez, o modelo metabólico à escala genómica da levedura Brettanomyces bruxellensis
possui 2095 reações e 1249 metabolitos. Nas simulações executadas, os modelos metabólicos à
escala genómica mostraram capacidade de crescer no meio mínimo fornecido, como descrito na literatura. Além disso, as simulações preveram a produção de certos compostos, como
o butanodiol na bactéria Pediococcus damnosus e o 4-etilfenol na levedura B. bruxellensis, que
podem influenciar o sabor da cerveja Lambic. Foram previstas interações entre os modelos
metabólicos à escala genómica, sobretudo trocas de aminoácidos. O modelo da comunidade
Pediococcus damnosus-Brettanomyces bruxellensis foi construído usando o ReFramed. Analisando
os resultados da simulação do modelo da comunidade, pode-se concluir que a interação dos
dois microorganismos resulta na produção de compostos que tem a capacidade de conferir
sabor e assim serem responsáveis pelo aroma tão único da cerveja lambic
