Estudio de bioprocesos para la fermentación de pentosas empleando Saccharomyces y levaduras no convencionales

Abstract

La generación sustentable de biocombustibles y bioproductos a partir de la lignocelulosa depende principalmente de levaduras que metabolicen eficientemente azúcares pentosa, principalmente xilosa y arabinosa. La levadura tradicional Saccharomyces cerevisiae carece de esta capacidad y requiere de ingeniería para reconfigurar su metabolismo. Sin embargo, la optimización de enzimas individuales no parece ser suficiente para alcanzar conversiones competitivas de pentosas. En contraste, diversas levaduras no convencionales fermentan pentosas directamente, constituyendo plataformas atractivas, pero menos exploradas, para bioprocesos. En esta tesis se abordó la utilización de pentosas por levaduras mediante la comprensión e ingeniería de los procesos moleculares de señalización, transporte y metabolismo. Se demostró que S. cerevisiae detecta xilosa extracelular a través del receptor de membrana Snf3p, generando una respuesta limitada y de baja afinidad. Se propuso entonces alterar la selectividad del sistema mediante la construcción de receptores quiméricos para mejorar la detección de xilosa y su utilización. Respecto a la captación de pentosas, se identificó un transportador novedoso de arabinosa, denominado AraSp, que al expresarse de manera heteróloga en S. cerevisiae mejoró considerablemente el consumo de dicho azúcar. Por último, los perfiles fermentativos de distintas especies no convencionales fueron comparados considerando el impacto de la aireación en el catabolismo de la xilosa. La levadura Spathaspora passalidarum mostró un desempeño destacado, aunque este se vio comprometido en hidrolizados lignocelulósicos. En conjunto, esta tesis aporta un abordaje integral de los determinantes moleculares que limitan la utilización de pentosas en levaduras y propone estrategias para mejorar su aprovechamiento en bioprocesos sostenibles.

Sustainable production of biofuels and biochemicals from lignocellulosic biomass relies largely on yeasts able to efficiently metabolize five-carbon sugars, primarily xylose and arabinose. The traditional yeast Saccharomyces cerevisiae is not inherently capable of this process and therefore requires metabolic reconfiguration. However, optimization of individual key enzymes is often insufficient to achieve robust pentose conversion. In contrast, several non-conventional yeast species can naturally ferment such sugars, making them attractive but less explored platforms for lignocellulosic bioprocessing. Therefore, this thesis aimed to enhance xylose and arabinose utilization in yeasts through the understanding and engineering of molecular processes involved in sugar sensing and uptake, and to explore the factors impacting pentose metabolism. The yeast S. cerevisiae was shown to detect extracellular xylose via the Snf3p membrane receptor, eliciting a low-affinity and non-specific response. Engineering of this signaling system was then proposed by designing and constructing chimeric receptors to improve xylose detection and utilization. Regarding pentose uptake, a novel arabinose transporter protein from Spathaspora passalidarum, named AraSp, was identified and characterized. Heterologous expression of an AraSp mutant variant that prevents transporter internalization promoted efficient arabinose consumption in S. cerevisiae. Finally, fermentative profiles of different non-conventional yeasts were compared, highlighting the impact of oxygenation on xylose catabolism. Sp. passalidarum showed remarkable performance during xylose consumption and ethanol production under limited aeration, although this behavior was compromised in lignocellulosic hydrolysates. Overall, this thesis deepens the understanding of the molecular determinants limiting pentose utilization in yeasts and proposes strategies to improve their utilization in sustainable bioprocesses.