Streptomyces clavuligerus is a Gram-positive, filamentous bacterium which produces several important secondary metabolites, including isopenicillin N, cephamycin C and the &beta / -lactamase inhibitor clavulanic acid. Among these compounds, clavulanic acid is being used in combination with commonly used &beta / -lactam antibiotics in order to fight against bacterial infections that are resistant to such antibiotics. Among these combinations, Augmentin, composed of amoxicillin and clavulanic acid, is the most widely prescribed drug and has a market value of more than one billion dollars per year. There are two genes that act in regulation of clavulanic acid biosynthesis: ccaR located in cephamycin C gene cluster and claR located in clavulanic acid gene cluster. The goal of this study is to improve clavulanic acid production capacities of both wild type and industrial S. clavuligerus strains by integrating extra copies of claR gene into S.clavuligerus genome and its overexpression via a multicopy plasmid. Although previously has shown to be quite effective on wild type S. clavuligerus strains, claR overexpression in the industrial strain used in this study yielded only 1.4-fold increase in volumetric and 1.7-fold increase in specific CA production by the recombinant strains MA28 and MA16, respectively.

Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Juan Lucas Argueso Gomes de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:31:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Duarte_FabianadeMelo_M.pdf: 10932684 bytes, checksum: c31d50d399af1063941a0d931eee8101 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O etanol de cana-de-açúcar brasileiro ocupa um lugar de destaque entre as alternativas energéticas disponíveis atualmente. No processo fermentativo de produção de etanol é utilizada a levedura Saccharomyces cerevisiae, com destaque para a linhagem industrial PE-2, utilizada por cerca de 30% das usinas brasileiras, o que representa 10% da produção mundial. Essa linhagem associa uma alta eficiência na produção de etanol com uma excelente capacidade de adaptação ao ambiente altamente hostil e competitivo das dornas de fermentação. O nosso grupo de pesquisa realizou previamente uma caracterização genética e molecular detalhada de uma linhagem diplóide derivada diretamente de PE-2 (JAY270), o que forneceu inúmeras possibilidades para a manipulação genética dessa levedura com o objetivo de desenvolver linhagens mais produtivas. No entanto, alguns estudos observaram a ocorrência de variação cariotípica nessa linhagem durante o processo fermentativo, o que pode representar uma barreira para a manipulação dessa levedura. Sendo assim, é extremamente importante estudar o comportamento do genoma dessa linhagem durante a produção de etanol. Este projeto de Mestrado teve como objetivo principal a determinação do mecanismo de recombinação genética responsável pela geração de rearranjos cromossômicos na linhagem JAY270 durante a produção de etanol. Foi realizado um experimento de fermentação em escala semi-industrial iniciado com um inóculo puro de JAY270, com duração de 50 dias. A partir de amostras coletadas ao final do processo foram obtidos isolados que foram analisados através de PFGE (Gel de Eletroforese em Campo Pulsado) para identificação de derivados de JAY270 portadores de variação cariotípica. Dos derivados analisados, 36% possuíam algum tipo de rearranjo cromossômico em relação à linhagem inicial, dos quais 11 foram selecionados (FDY1-FDY11) para análises detalhadas. As sequências genômicas de dois derivados haplóides de JAY270 possibilitaram o desenvolvimento de 9 marcadores moleculares para genotipar regiões heterozigotas de JAY270 com o objetivo de identificar eventos de recombinação genética. Os 11 isolados selecionados foram analisados com esses marcadores e, exceto por um deles, todos continuavam heterozigotos em todas as regiões genotipadas. Dois mecanismos de recombinação genética podem ser responsáveis pela geração dos rearranjos, recombinação mitótica, que ocorre em pontos isolados e recombinação meiótica, que envolve todo o genoma simultaneamente em um único ciclo celular. A possibilidade dos rearranjos terem sido gerados por recombinação meiótica foi excluída, visto que a probabilidade dos 10 isolados continuarem heterozigotos em todas as regiões analisadas após um evento de meiose seguido de cruzamento é extremamente baixa (entre 10-24 e 10-14). Sendo assim, concluiu-se que os rearranjos cromossômicos foram gerados durante o crescimento vegetativo, e que, portanto, o mecanismo de recombinação genética responsável pela geração dos mesmos é a recombinação mitótica. Os 11 isolados também foram analisados através de CGH-array, que possibilitou a comparação de sua dosagem gênica com a da linhagem JAY270, que lhes deu origem. Com essa metodologia foi possível detectar eventos de recombinação mitótica que resultaram em perda de heterozigosidade nas extremidades de alguns cromossomos. / Abstract: Brazilian sugar cane ethanol stands out among the energetic alternatives available nowadays. In the fermentation process to produce ethanol it is used the yeast Saccharomyces cerevisiae. One of the most widely adopted strains is the industrial isolate PE-2, currently used by ~30% of Brazilian distilleries, generating ~10% of the world's ethanol supply. This strain combines a high performance in ethanol fermentation and an excellent adaptation to the hostile environment in the fermentation vats. Our research group previously carried out a thorough genetic characterization of an isolate of the PE-2 strain, known as JAY270. This analysis offers several opportunities for the improvement and modification of this strain. However, some studies observed the occurrence of karyotypic variation in this strain during the fermentation process, what can represent a barrier to the genetic manipulation of this yeast. Therefore, it is extremely important to study the genome behavior of this yeast during the ethanol production process. The main objective of this Master's Project was to determinate the genetic recombination mechanism responsible for generating chromosomal rearrangements in JAY270 during the ethanol production. A fermentation experiment in semi-industrial scale was carried out with a pure initial inoculum of JAY270. After 50 days, samples were collected and used to obtain single colony isolates. This isolates were analyzed through PFGE (Pulsed Field Gel Electrophoresis) to the identification of JAY270 derivatives carrying karyotypic variation. Of the analyzed derivatives, 36% had at least one chromosomal rearrangement. 11 of these derivatives were chosen to perform detailed analyses and were called FDY1-FDY11. The genome sequences of two haploid derivatives of JAY270 were used to develop 9 molecular markers to genotype heterozygous regions of JAY270 to identify genetic recombination events. The 11 isolates were analyzed with these markers and, except by one of them, all isolates were heterozygous in all genotyped regions. Two genetic recombination mechanisms can be responsible for generating the rearrangements, mitotic recombination, which occurs in isolate points of the genome, and meiotic recombination, that simultaneously affects all the genome in one single cellular cycle. The probability of the 10 isolates stay heterozygous in all genotyped regions after one event of meiosis followed by mating is extremely low (between 10-24 e 10-14). This result showed that these rearrangements couldn't be generated through meiotic recombination. Therefore, it was possible to conclude that the chromosomal rearrangements were generated during vegetative growth through mitotic recombination. The 11 isolates also were analyzed through CGH-array to compare their gene dosage with the strain JAY270. With this methodology it was possible to detect mitotic recombination events that resulted in loss of heterozygosity in peripheral regions of some chromosomes. / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestre em Genética e Biologia Molecular

Orientadores: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Anderson Ferreira da Cunha / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-14T01:17:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Missawa_SilviaKazue_D.pdf: 3036073 bytes, checksum: d9aad0052b5f34581b2bf95098a6d911 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A crescente necessidade da substituição de fontes de energia derivadas do petróleo por fontes renováveis de energia impulsionou pesquisas em todo o mundo. O etanol se enquadra fortemente como candidato para substituir combustíveis como, por exemplo, a gasolina. A produção de etanol brasileiro ocorre pela fermentação de açucares proveniente do caldo de cana, realizada por leveduras, fundamentalmente da espécie Saccharomyces cerevisiae. No processo fermentativo para a produção de etanol combustível no Brasil, a separação das leveduras após o esgotamento do açúcar é realizado por centrífugas de alta capacidade, o que torna o sistema complexo e dispendioso. Neste trabalho, linhagens de leveduras de laboratório e industriais foram transformadas por engenharia genética de modo que as leveduras reconhecessem o esgotamento da glicose do meio separando-se naturalmente e rapidamente. Para isso, plasmídeos e posteriormente, cassetes integrativos, foram construídos utilizando-se promotores, sensíveis a presença de glicose no meio, regulando a expressão de genes da floculação. Estes promovem a formação de agregados celulares que se separam do meio por decantação. Além disso, está relatado na literatura que mutantes respiratórios produzem uma maior quantidade de etanol. Então foi feita a deleção, em leveduras industriais, do gene PET191, cujo produto participa na montagem do citocromo c, que por sua vez é essencial para o funcionamento da cadeia respiratória nestes microorganismos. As leveduras deletadas apresentaram um aumento no rendimento da produção de etanol; na linhagem industrial JAY292, esse aumento foi de 4%. Isto pode refletir ao final de um ano, um aumento de 980 milhões de litros. Os resultados obtidos contribuem para o desenvolvimento tecnológico e industrial desta área estratégica para o país / Abstract: The increased need for replacing energy sources from fossil oil to renewable sources has prompted research initiatives throughout the world. Bioethanol is a highly competitive candidate to replace fuels such as gasoline. The production of Brazilian ethanol occurs by the fermentation of sugars from sugar cane juice by the yeast Saccharomyces cerevisiae. The industrial fermentation process used to produce ethanol fuel in Brazil includes a separation step by high-capacity centrifugation of the yeast cells after the exhaustion of the sugar, which makes the system complex and costly. In this work, laboratory and industrial yeast strains were transformed by genetic engineering techniques so that they are able to recognize the depletion of glucose from the medium and quickly separate by sedimentation, without the need of centrifugation. In order to reach this goal, plasmids and integrative cassettes were constructed using promoters sensitive to the presence of glucose in the environment regulating the expression of the genes that control flocculation. This genetic device promotes the formation of cellular aggregates that are separated from the medium by sedimentation only when glucose is depleted. Furthermore, it is reported in the literature that respiratory mutants produce a higher quantity of ethanol. Consequently, the PET191 gene was deleted in an industrial yeast strain; the gene product pet191 participates in the assembly of cytochome c, which is an essential component of the respiratory chain in these microorganisms. The deleted industrial strain JAY292 showed an increased production of ethanol by 4%. This percentage can be translated in an increase of more than 980 million liters of ethanol produced per year. These results are of great technological and industrial importance, and may contribute to the development of this strategic area for the country / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Orientadores: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Juan Lucas Argueso Gomes de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-23T04:49:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sampaio_NadiaMariaVieira_M.pdf: 5240623 bytes, checksum: 83a8fd832d725a15f52ace4fb49f9106 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nos últimos anos, a busca por fontes renováveis de energia tem sido intensificada em todo o mundo e, atualmente, o processo fermentativo de produção de bioetanol destaca-se como uma alternativa energética economicamente viável e menos poluente do que os combustíveis fósseis. Diferentes etapas do processo de produção desse biocombustível vêm sendo aprimoradas e, recentemente, o melhoramento genético de linhagens da levedura Saccharomyces cerevisiae é apontado como um ponto chave para tornar a produção do bioetanol ainda mais rentável. No Brasil, a linhagem JAY270/PE-2 é amplamente utilizada pelo setor industrial devido a sua elevada produtividade e robustez, consideravelmente superiores em relação à linhagem padrão de laboratório S288c. Em busca da compreensão das características genéticas associadas ao fenótipo da linhagem JAY270/PE-2, nosso grupo de pesquisa realizou o sequenciamento de um isolado haploide dessa linhagem, denominado JAY291, o qual revelou um total de 21 genes preditos não identificados no genoma da linhagem S288c. As significativas diferenças fenotípicas observadas entre essas linhagens motivou a investigação do envolvimento destes genes nas características de interesse industrial da linhagem JAY270/PE-2. Para isso, foi realizada uma investigação funcional de 4 desses genes, por meio da avaliação fenotípica de linhagens knockout, testadas quanto às suas principais características de interesse industrial. A partir dos testes realizados, não foi possível correlacionar estes genes a uma função específica. Apesar disso, a anotação dessas sequências, a conservação desses genes em outras linhagens industriais e, adicionalmente, a observação de que alguns deles apresentam-se diferencialmente expressos ao longo de uma fermentação industrial forneceram fortes indícios de que os mesmos apresentam um papel importante para a fisiologia da linhagem em condições industriais. Dessa forma, os dados gerados por este trabalho deverão servir como base para futuros estudos focados na elucidação do papel desses genes, a qual é de fundamental importância, tanto para a geração de conhecimento básico acerca da biologia dessa espécie, como para a identificação de potenciais alvos para o melhoramento genético da linhagem JAY270/PE-2 / Abstract: In the past years, the search for renewable energy sources has increased worldwide and, recently, the bioethanol fermentation process rises as an economically viable and less pollutant alternative supply. Several steps of the production process have been enhanced and the genetic improvement of Saccharomyces cerevisiae strains plays a key role on that effort. In Brazil, the yeast strain JAY270/PE-2 is widely used in the industrial sector due to its high productivity and robustness, being remarkably superior to the reference laboratory strain S288c. In order to shed light to the genetic characteristics underlying these traits, our group sequenced the genome of the derivative haploid JAY291, which unveiled a total of 21 predicted genes absent in the S288c reference genome. The substantial differences observed between these strains motivated us to investigate the relationship between these predicted genes and the industrially relevant phenotype of JAY270/PE-2 strain. Thus, we accomplished the functional investigation of 4 putative genes through phenotypic evaluation of knockout strains. It was not possible to correlate those genes to a specific function. Although, considering their functional annotation, their conservation between industrial strains and also their differential expression during an industrial fermentation strengthens their potential to be related to these industrially valuable traits. Therefore, this study might work as a backbone for the future functional characterization of these genes. This knowledge is of cardinal importance for a comprehensive understanding of the biology of this specie and could possibly provide new targets for the genetic manipulation of the industrial strain JAY270/PE-2 / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestra em Genética e Biologia Molecular