Condições fisiológicas que favorecem a síntese de ácido L-ascórbico (vitamina C) por culturas de Kluyveromyces lactis metabolicamente engenheirada

Abstract

O ácido L-ascórbico (ALA) é produzido naturalmente por plantas a partir de D-glicose. Leveduras sintetizam um metabólito semelhante, o ácido D-eritroascórbico (ADEA). Embora este composto não mostre atividade contra o escorbuto, ele contém uma função antioxidante, mas é produzido pelo micro-organismo em baixas concentrações. Recentemente, com a finalidade de fazer as leveduras serem capazes de converter o componente D-galactose da D-lactose do soro de queijo em ALA, a linhagem selvagem de Kluyveromyces lactis CBS2359 foi transformada com genes, que integram a via de biossíntese de L-galactose, isolados de Arabidopsis thaliana. Na presença do intermediário L-galactose, ALA pode então ser sintetizado pela levedura com as enzimas responsáveis pela produção de ADEA. Foi demonstrado que a linhagem engenheirada JVC 1-56 foi capaz de sintetizar ALA em comparação com a selvagem, mas com baixo rendimento. Neste sentido, estudos que auxiliem o aumento da produção de ALA são relevantes. Uma vez que a via engenheirada da síntese de ALA e a via nativa da formação da parede celular de K. lactis possuem um intermediário comum, GDP-D-manose, faz-se necessário avaliar o efeito do desacoplamento da produção de ALA do crescimento que requer constante síntese da parede. Além disso, considerando a propriedade antioxidante do ALA, a expectativa é de que a produção deste metabólito aumentasse quando JVC 1-56 fosse exposta a uma condição de estresse oxidativo por menadiona. Neste contexto, este trabalho investigou as condições fisiológicas mencionadas utilizando os meios Yeast Galactose Base (YGB) e soro de queijo ultrafiltrado (SQU - subproduto de indústrias de queijo em que predomina lactose como fonte de carbono). Foi averiguado que Kluyveromyces lactis JVC 1-56 produz ALA com rendimentos maiores quando cultivada por 96 horas em batelada no meio YPGal. O cultivo em baixas velocidades de crescimento (0,04 h -1) predispõe as células a sintetizar mais ALA por unidade de massa celular (0,80 mg/mg). Entretanto, o rendimento da cultura contínua operada como quimostato, tendo nitrogênio como substrato limitante, ainda mostrou ser inferior ao previsto na batelada (1,94 mg/mg). Já o estresse oxidativo por 12,5 μM de menadiona sobre K. lactis JVC1- 56, nas condições aplicadas, não foi eficaz no aumento da produção de ALA (1,47 mg/mg). Ainda, o rendimento de ADEA foi superior ao de ALA nas duas estratégias: 1,37 mg/mg a 0,21 h-1 na cultura sob regime permanente, 8,52 mg/mg na batelada sob estresse oxidativo e 10,33 mg/mg na batelada na ausência do agente oxidante, indicando que ele pode estar em uma configuração mais estável do que a vitamina C. Finalmente, o permeado do soro de queijo continua sendo uma perspectiva para a conversão da lactose em um produto biotecnológico de maior valor agregado.

The L-ascorbic acid (ALA) is produced naturally by plants from D-glucose. Yeasts synthesize a similar metabolite, D-eritroascorbic acid (ADEA). Although this compound does not show activity against scurvy, it contains an antioxidant function, but it is produced in low concentrations by the microorganism. Recently, in order to make yeasts are capable of converting D-galactose D-lactose from cheese whey into ALA, the wild strain Kluyveromyces lactis CBS2359 has been transformed with genes that integrate the L-galactose biosynthesis pathway, isolated from Arabidopsis thaliana. In the presence of intermediate L-galactose, ALA can be synthesized by yeast with enzymes responsible for ADEA production. It has been demonstrated that the engineered strain JVC 1-56 was able to synthesize ALA compared to the wild type, but the yield was still low. In this regard, studies to assist the increased of ALA production are relevant. Once the engineered ALA pathway and native cell wall formation pathway of K. lactis have a common intermediate, GDP-D-mannose, we need to evaluate the effect of uncoupling of vitamin C synthesis route of the growth that requires constant wall synthesis. Moreover, considering the antioxidant properties of ALA, the expectation is that the production of this metabolite increase when JVC 1-56 is exposed to a oxidative stress condition by menadione. In this context, this study investigated the both physiological conditions, using the media Yeast Galactose Base (YGB) and ultrafiltered cheese whey (SQU - byproduct of cheese industry that predominates lactose as carbon source). It was analyzed that Kluyveromyces lactis JVC 1-56 produces higher yields of ALA when it is grown for 96 hours in batch culture in the middle YPGal. Cultivation at low growth rates (0.04 h-1) predisposes the cells to synthesize more ALA per unit cell mass (0.80 mg/mg). However, the yield of continuous culture operated as quimostato, limiting the substrate nitrogen, still proved to be lower than expected in the batch (1.94 mg/mg). Oxidative stress by 12.5 mM menadione on K. lactis JVC1 -56, in the conditions applied, was not effective in the increasing the ALA production (1.47 mg/mg). Still, ADEA yield was higher than ALA in two strategies: 1.37 mg/mg at 0.21 h-1 in culture under steady state, 8.52 mg/mg in batch under oxidative stress and 10.33 mg/mg in the batch in the absence of oxidizing agent, indicating that ADEA may be in a more stable configuration than vitamin C. Finally, the permeate cheese whey remains a prospect for the conversion of lactose into a biotechnological product of higher value aggregate.