Agro-food residues and engineered yeast platforms for natural sweeteners production

Abstract

O açúcar é um componente prevalente nas dietas modernas, sendo valorizado pela sua capacidade singular de adoçar os alimentos. No entanto, o consumo excessivo de açúcar refinado tem sido associado a doenças, como obesidade e diabetes. Consequentemente, há um crescente interesse em substitutos naturais do açúcar. Além disso, a promoção de uma economia circular tem recebido destaque na agenda política de muitos países, com planos de ação que incluem a implementação de biorrefinarias para produzir energia e produtos de elevado valor. Nos últimos anos, a produção de biocombustíveis e outros produtos a partir de biomassas renováveis tem surgido como uma alternativa à economia baseada em petróleo. O desenvolvimento de processos inovadores que sejam rentáveis e ambientalmente responsáveis requer a utilização de fábricas celulares robustas. A levedura Saccharomyces cerevisiae tem sido amplamente estudada como uma plataforma para a produção de biocombustíveis e produtos naturais de alto valor a partir de biomassas renováveis. Este estudo visa explorar as propriedades atrativas das estirpes industriais de S. cerevisiae, como sua elevada capacidade fermentativa e habilidade de tolerar condições de processamento desafiadoras, para desenvolver estirpes recombinantes capazes de produzir adoçantes naturais. Face a este enquadramento, a presente tese resultou (1) na construção de uma estirpe de levedura capaz de alcançar títulos e rendimentos notáveis de xilitol através da expressão de uma aldose redutase endógena com atividade de xilose redutase, (2) num processo sustentável baseado em tecnologias verdes para a produção de xilitol a partir da fração sólida e liquida resultante do pré-tratamento do caroço do milho (3) numa abordagem integrada de valorização para converter múltiplos resíduos da indústria do vinho em xilitol, etanol e biomassa de levedura, (4) no estabelecimento da levedura S. cerevisiae como biocatalisador para a conversão de arabinose da polpa de beterraba em arabitol, aproveitando a atividade promíscua da aldose redutase anteriormente expressa, juntamente com a sobre expressão de um transportador de galactose, e (5) numa estratégia de produção sustentável de tagatose utilizando algas vermelhas, e os seus resíduos de processamento subvalorizados, como fonte de galactose numa isomerização mediada pela enzima L-arabinose isomerase. Estes resultados suportam o desenvolvimento de uma biorefinaria focada na produção de adoçantes naturais e evidenciam o potencial da S. cerevisiae como plataforma celular, contribuindo para o estabelecimento de uma economia circular e sustentável baseada em recursos biológicos.

Sugar is a prevalent component of modern diets, valued for its special ability to sweeten food. However, consuming excessive amounts of refined sugar has been associated with non-communicable diseases and health issues such as obesity and diabetes. As a result, there has been growing interest in natural sugar substitutes. On the other hand, the promotion of a circular economy is ranked high on the political agenda of many countries and their action plan includes the implementation of cost-effective and sustainable biorefineries for energy with high-value chemicals production. In recent years, the production of biofuels and other chemicals from renewable biomasses using biotechnology has emerged as a viable alternative to the traditional petroleum-based economy. The development of sustainable and commercially viable processes relies heavily on the use of robust cell factories. The yeast Saccharomyces cerevisiae has gained significant attention as a cell factory to produce biofuels and high-value natural products from renewable biomasses. This study aims to utilize the attractive properties of industrial S. cerevisiae strains, including their high fermentative capacity and ability to tolerate harsh process conditions, to develop recombinant strains for natural sweeteners production. With this in mind, the present thesis resulted in: (1) a xylitol producing strain capable of attaining remarkable xylitol titers and yield, resulting from the expression of an endogenous aldose reductase with xylose reductase activity, (2) a sustainable bioprocess based on green technologies for xylitol production from corn cob whole slurry using the above mentioned strain (3) an integrated multi-feedstock valorization approach for converting a range of winery wastes into xylitol, ethanol and yeast biomass, (4) the establishment of S. cerevisiae as a biocatalyst for the conversion of arabinose from sugar beet pulp into arabitol, by harnessing the promiscuous activity of the endogenous aldose reductase previously expresses, together with the overexpression of a galactose transporter, and (5) sustainable tagatose production strategy by using red seaweed and its undervalued processing residues as source of galactose in a L-arabinose isomerase mediated-isomerization. Collectively, these findings support the development of a cost-effective biorefinery that focuses on natural sweetener production by tailoring S. cerevisiae as a cell factory platform, contributing to the establishment of a bio-based economy.