Estudio de la respuesta de levaduras transformadoras de xilosa a condiciones de estrés en hidrolizados de bagazo de caña de azúcar

Abstract

La transición hacia los sistemas de producción de base biológica implica no solo la adaptación de tecnologías existentes sino la búsqueda de procesos eficientes y sostenibles. El uso de microorganismos como biocatalizadores para la transformación de biomasa residual ha sido estudiado en las últimas décadas. Sin embargo, dentro de los parámetros de selección de estos microorganismos la capacidad de tolerar y adaptarse a condiciones estresantes es una de las mayores limitantes para su empleo en escala industrial. Este trabajo tiene como objetivo describir la diversidad de la comunidad de levaduras transformadoras de D-xilosa asociadas a bosques de robles en los Andes Colombianos y estudiar la respuesta fenotípica a condiciones de estrés de levaduras no-convencionales, aisladas en ambientes naturales y fermentativos en Colombia capaces de metabolizar la D-xilosa, para su implementación en la fermentación de hidrolizados hemicelulósicos de bagazo de caña de azúcar. Para esto se realizó el aislamiento e identificación taxonómica de 175 levaduras asimiladoras de D-xilosa de bosques de robles de la región central de la cordillera oriental de los Andes en Colombia pertenecientes a 35 especies previamente conocidas y 15 posibles especies nuevas. Se observó que 75 aislados en los bosques de robles presentaron capacidad metabólica para la transformación de la D-xilosa hasta etanol o xilitol. También se evaluaron 50 levaduras de la colección Biológica Banco de Cepas y Genes del IBUN-UNAL, aislados en ambientes fermentativos en el municipio de Puerto López (Meta) y Paipa (Boyacá) de los cuales 12 presentaron capacidad para transformar D-xilosa y producir xilitol como producto principal. Se evaluó la implementación de condiciones de estrés térmico como estrategia para la preparación del inóculo en dos especies de levaduras asociadas a ambientes fermentativos, Meyerozyma caribbica y Candida tropicalis, para la fermentación de D-xilosa en medios suplementados con ácido acético. M. caribbica evidenció la adquisición de protección cruzada a estrés en las levaduras expuestas a 10 °C con un aumento del 29 % en la producción de xilitol frente a las células crecidas a 30 °C en la fermentación de la D-xilosa en presencia del ácido acético (6 g/L). La exposición a estrés ácido, oxidativo y térmico previo a la fermentación de hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña de azúcar fue aplicado para dos levaduras aisladas en ambientes naturales, Debaryomyeces nepalensis y Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus, para la producción de xilitol y etanol, respectivamente. La respuesta fenotípica a las diferentes condiciones de estrés fue específica para cada especie y relacionada con el direccionamiento metabólico para la transformación de la pentosa. D. nepalensis presentó un aumento del 32% en la producción de xilitol en comparación con las células sin tratar en fermentación del hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña de azúcar (75% v/v). La estrategia de preparación del inóculo con exposición previa al estrés sumado a la fermentación en serie mejora la aptitud en Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus logrando fermentar la D-xilosa presente en el hidrolizado hemicelulósico de bagazo de caña sin diluir. Este es el primer trabajo realizado en la bioprospección de la diversidad de levaduras de bosques de robles en la cordillera oriental de Los Andes (Colombia) y los resultados demuestran el potencial para la exploración de servicios ecosistémicos no maderables presentes en estos hábitats forestales. (Texto tomado de la fuente).

The transition to biological-based production systems implies not only the adaptation of existing technologies but the search for efficient and sustainable processes. The use of microorganisms as biocatalysts for the transformation of residual biomass has been studied in the last decades. However, within the parameters for the selection of these microorganisms, the ability to tolerate and adapt to stressful conditions is one of the greatest limitations for its use on an industrial scale. The aim of this work is to describe the diversity of the community of D-xylose-transforming yeasts associated with oak forests in the Colombian Andes and to study the phenotypic response to stress conditions of non-conventional yeasts, isolated in natural and fermentative environments in Colombia capable of D-xylose metabolism, for its implementation in the fermentation of sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysates. For this, the isolation and taxonomic identification of 175 D-xylose-assimilating yeasts from oak forests of the central region of the eastern Andes Mountain range in Colombia was carried out belonging to 35 species previously known and 15 possible new species. It was observed that 75 isolates presented the metabolic capacity for the transformation of D-xylose to ethanol or xylitol. We also evaluated 50 yeasts from the biological collection Bank of Strain and Genes of IBUN-UNAL, isolated in the municipality of Puerto López (Meta, Colombia) and Paipa (Boyacá, Colombia), of which 12 have the capacity to ferment xylose and produce xylitol as the main product. The implementation of thermal stress conditions was evaluated as a strategy for the preparation of the inoculum in two yeast species associated with fermentative environments, Meyerozyma caribbica and Candida tropicalis, for the fermentation of D-xylose in media supplemented with acetic acid. M. caribbica showed the acquisition of cross-stress protection in yeasts exposed to 10 °C with a 29 % increase in xylitol production compared to cells grown at 30 °C in the fermentation of D-xylose in the presence of the acetic acid (6 g/L). Exposure to acid, oxidative, and thermal stress prior to fermentation of hemicellulosic hydrolysate from sugarcane bagasse was applied to two yeasts isolated in natural environments, Debaryomyeces nepalensis and Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus, to produce xylitol and ethanol, respectively. The phenotypic response to the different stress conditions was species-specific and related to metabolic wiring for pentose transformation. D. nepalensis showed a 32% increase in xylitol production compared to untreated cells in fermentation of diluted sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate (75% v/v). The inoculum preparation strategy with prior stress exposure coupled with serial fermentation improves fitness in Scheffersomyces cryptocercus/Sc. virginianus, achieving fermenting the D-xylose present in the sugarcane bagasse hemicellulosic hydrolysate undiluted. This is the first work carried out on the bioprospecting of the yeast diversity from oak forests in the eastern Andes Mountain range (Colombia) and the results demonstrate the potential for the exploration of non-timber ecosystem services present in these forest habitats.