A indústria biotecnológica vem ganhando destaque em função das negativas atreladas ao uso de recursos fósseis. Nesse cenário, o Brasil se destaca por seu programa de produção de bioetanol bem estabelecido e pelo uso de cana-de-açúcar como matéria prima barata. O presente trabalho construiu Saccharomyces cerevisiae transgênicas para aprodução de compostos de interesse econômico cuja biossíntese consome energia livre (ATP). Para tanto, a expressão de proteínas heterólogas e engenharia evolutiva foram realizadas em levedura de modo que a produção de determinados compostos se torne energicamente viável. / The biotechs industry is a growing field since fossil resources are being attached to ecological and geopolitical constraints. In this scenario, Brazil has a major role due to its large experience in the bioethanol industry and sugarcane use as a cheap feedstock. The aim of this work is to optimize Saccharomyces cerevisiae allowing them to occupy a new niche: the production of economically valuable chemicals that require cellular free energy (ATP) on their biosynthesis. In this context, heterologous protein expression and evolutionary engineering were done. Therefore, this work will potentially contribute to make certain energy demanding chemicals production economically viable.

Polihidroxialcanoatos (PHA) são polímeros biodegradáveis, biocompatíveis e podem ser produzidos a partir de matérias primas renováveis. Pseudomonas sp. é capaz de produzir PHA com composição monomérica variada e com teor controlável, o que confere grande variedade de aplicações. Flux Balance Analysis (FBA) foi utilizado no ambiente Matlab pelo uso do software COBRA. Para a análise foi necessário construir um core de Pseudomonas pela modificação dum core de E. coli, e assim fosse possível obter um modelo mais aproximado. Como resultado foi gerada uma rede metabólica viável contendo os genes da via de Weimberg de C. crescentus no core construído. Paralelamente, a Pseudomonas sp. LFM046 foi repicada sucessivas vezes em meio mineral (MM). Testes simples foram feitos para verificar o perfil das colônias isoladas, além de amplificar e sequenciar o gene 16S rDNA. O resultado do BLAST foi uma identidade de 99% com o gene da Pseudomonas sp. IPT 046, confirmando que a bactéria pertence a género Pseudomonas e tem a capacidade de consumir xilose. / Polyhydroxyalkanoates (PHA) are biodegradable, biocompatible polymers and can be produced from renewable raw materials. Pseudomonas sp. is capable of producing PHA with varied monomer composition and with controllable content, which confers a great variety of applications. Flux Balance Analysis (FBA) was used in the Matlab environment by the use of COBRA software. For the analysis, it was necessary to construct a Pseudomonas core by modifying an E. coli core, so that a more approximate model could be obtained. As a result a viable metabolic network was generated containing the C. crescentus Weimberg pathway genes in the constructed core. In parallel, Pseudomonas sp. LFM046 was repeated successively in mineral medium (MM). Simple tests were done to verify the profile of the isolated colonies, in addition to amplifying and sequencing the 16S rDNA gene. The BLAST result was 99% identity with the Pseudomonas sp gene. IPT 046, confirming that the bacterium belongs to the genus Pseudomonas and has the ability to consume xylose.

A indústria biotecnológica vem ganhando destaque em função das negativas atreladas ao uso de recursos fósseis. Nesse cenário, o Brasil se destaca por seu programa de produção de bioetanol bem estabelecido e pelo uso de cana-de-açúcar como matéria prima barata. O presente trabalho construiu Saccharomyces cerevisiae transgênicas para aprodução de compostos de interesse econômico cuja biossíntese consome energia livre (ATP). Para tanto, a expressão de proteínas heterólogas e engenharia evolutiva foram realizadas em levedura de modo que a produção de determinados compostos se torne energicamente viável. / The biotechs industry is a growing field since fossil resources are being attached to ecological and geopolitical constraints. In this scenario, Brazil has a major role due to its large experience in the bioethanol industry and sugarcane use as a cheap feedstock. The aim of this work is to optimize Saccharomyces cerevisiae allowing them to occupy a new niche: the production of economically valuable chemicals that require cellular free energy (ATP) on their biosynthesis. In this context, heterologous protein expression and evolutionary engineering were done. Therefore, this work will potentially contribute to make certain energy demanding chemicals production economically viable.

Conforme novas tecnologias e metodologias estão surgindo, e pesquisadores estão sedentos por ferramentas moleculares mas rápidas, mais eficientes e fáceis de usar, dominar os princípios e tecnologias do design de vetores e padronização de partes biológicas tornaram-se desafios fundamentais. Isso está abrindo espaço para o surgimento de uma disciplina inteiramente nova chamada Biologia Sintética. Esta área de estudo inovadora combina partes e módulos biológicos para criar sistemas mais confiáveis e robustos. Linhagens fúngicas são comumente alvo desses estudos, não apenas porque muitos achados fundamentais em relação à clonagem molecular surgiram das lições dadas por elas, mas também devido a um imenso e inexplorado potencial desses organismos em uma ampla gama de aplicações - desde biocombustíveis e produção de químicos finos até terapias biomédicas. Neste contexto, a presente dissertação é dividida em duas partes: a primeira diz respeito ao design e construção de uma ferramenta modular e versátil para ser aplicada em várias linhagens de fungos. Essa ferramenta é um plasmídeo binário para transformação mediada pro Agrobacterium tumefaciens, que foi construído em quatro diferentes versões contendo GFP ou mCherry como proteínas repórter e um gene sintético de resistência à higromicina como marcador de seleção. O vetor foi validado em Paracoccidioides lutzii, um patógeno oportunista humano dimórfico que é muito importante para medicina, mas ainda carecia de ferramentas genéticas eficientes. A segunda parte consiste na criação de uma biblioteca de promotores para a levedura oleaginosa Rhodosporidium toruloides, um promissor hospedeiro para a produção de bioprodutos a partir de biomassa, uma vez que pode eficientemente consumir açúcares C5 e C6 e aromáticos derivados da lignina. Vinte e nove promotores foram testados em um cassete de duplo-repórter - compreendendo ambas as proteínas fluorescentes GFP e mRuby - utilizando citometria de fluxo para análise de células únicas. A coleção de promotores apresentados neste trabalho é a maior disponível para R. toruloides até o momento e foi um avanço indispensável para superar a10 escassez de ferramentas para este organismo. Notavelmente, também apresentamos os primeiros promotores bidirecionais descritos para essa levedura e otimizamos o protocolo de transformação. Portanto, a Biologia Sintética foi eficientemente aplicada para expandir a coleção de partes biológicas padronizadas e otimizar vetores para transformação e manipulação genética de fungos. Estas ferramentas são de valor imediato e são aplicáveis a desafios muito distintos, mas igualmente importantes: a busca de novas soluções para a saúde humana e para uma economia bio-sustentável. / As new technologies and methodologies are surfacing, and researchers are now eager for fast, enhanced and easy-to-use molecular tools, mastering the principles and technologies of vector design and standardization of biological parts have become fundamental challenges. This is making room for the rise of an entirely novel discipline called Synthetic Biology. This innovative field of study combines biological parts and modules to create more reliable and robust systems. Fungal strains are commonly the target of these studies, not only because several fundamental findings regarding molecular cloning arose from lessons given by them, but also due to an immense and much unexplored potential of those organisms in a wide range of applications - ranging from biofuels and fine chemicals production to biomedical therapies. In this context, the present dissertation is divided in two parts: the first one concerns the design and construction of a modular and versatile tool to be applied in several fungal strains. This tool is a plasmid binary vector for Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation, which was built in four different versions containing either GFP or mCherry as reporter proteins and a synthetic hygromycin resistance gene as selection marker. The vector was validated in Paracoccidioides lutzii, a dimorphic human opportunist pathogen that is very important for health care but was still lacking efficient genetic tools. The second part consists in the creation of a promoter library for the oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides, a promising host for the production of bioproducts from biomass since it can efficiently consume C5 and C6 sugars and lignin-derived aromatics. Twenty-nine promoters were tested with a dual-reporter cassette - comprising both GFP and mRuby fluorescent proteins - using flow cytometer for single-cell analysis. The assortment of promoters presented in this work is the largest set available for R. toruloides until now and was an imperative advancement to overcome the scarcity of tools for this organism. Remarkably, we also presented the first bidirectional promoters described for this yeast and optimized the transformation protocol. Thus, we efficiently applied Synthetic Biology to expand the collection of standard biological parts and to12 optimize vectors for fungal transformation and genetic manipulation. These tools are of immediate value and are applicable for very distinct but equally important challenges: the pursuit of new solutions for human health and for a sustainable biobased economy