Orientador: Gustavo Henrique de Almeida Teixeira / Resumo: ------ / Doutor

O Brasil é o segundo maior produtor e um dos maiores exportadores de etanol no mundo e tal biocombustível tem grande impacto na economia do país. A expectativa é de grande demanda por tal produto, quer pelo crescente consumo interno, como também em decorrência do fim do protecionismo nos Estados Unidos. Portanto, o Brasil deverá produzir mais etanol e a um custo mais reduzido para manter a competitividade frente aos combustíveis fósseis. Dentre as inovações tecnológicas estaria a fermentação com alto teor alcoólico. Contudo, um dos fatores limitantes para a implantação desta tecnologia é a ausência de leveduras apropriadas para tolerar as condições severas impostas por este tipo de fermentação, onde múltiplos estresses são impostos simultaneamente às leveduras. Assim, este trabalho se propôs a selecionar, da biodiversidade de leveduras encontradas nas destilarias brasileiras, linhagens de Saccharomyces cerevisiae com capacidade de conduzir fermentações com alto teor alcoólico e em condições de reciclo celular. A estratégia de seleção consistiu na busca de linhagens com tolerâncias múltiplas, frentes aos estresses etanólico, osmótico, ácido e térmico. Para tal, um total de 525 linhagens, obtidas de diferentes destilarias, foram submetidas a uma seleção para destacar linhagens com múltipla tolerância. Cerca de metade destas linhagens foram submetidas a uma seleção prévia avaliando-se o crescimento (D.O.570nm, durante 24 horas a 30ºC) em meio constituído de mosto misto (melaço e caldo de cana) com 25% de ART, selecionando 200 linhagens. Estas, acrescidas de mais 249 não avaliadas no meio anterior, foram igualmente submetidas a processo seletivo em meio contendo múltiplos estresses (etanólico, osmótico, ácido e térmico). Tal meio foi desenvolvido após avaliações de 26 combinações com os diferentes estresses acima mencionados e com diferentes intensidades. O objetivo foi buscar um meio que melhor discriminasse as tolerâncias das leveduras referencias: as linhagens de Saccharomyces cerevisiae PE-2 e de panificação, com e sem capacidade de implantação no processo industrial, respectivamente. A tolerância foi avaliada pela formação de biomassa (D.O.570nm, durante 24 horas a 30ºC). Assim, tal meio seletivo permitiu a seleção de 34 linhagens com perfis de tolerância igual ou superior ao da linhagem PE-2. Estas linhagens foram, a seguir, avaliadas quanto à viabilidade celular e ao crescimento em fermentações de mosto misto com teores crescentes de açúcares, ao longo de 10 reciclos a 30oC, atingindo teores de etanol de 15 a 16% (v/v). As 10 linhagens com os melhores desempenhos foram submetidas à avaliação final em fermentações simulando condições industriais, em reciclos fermentativos a 32ºC empregando-se mosto misto com teores crescentes de açúcares, permitindo aumentos nos teores de etanol de 11 a 15% (v/v) ao longo dos reciclos. Para esta avaliação final os seguintes parâmetros foram estimados: rendimento em etanol, formação de biomassa e glicerol, teores de açúcares residuais, viabilidade celular, e teores celulares dos carboidratos de reserva (glicogênio e trealose). Pelo menos 4 linhagens mostraram atributos fermentativos superiores ao da linhagem referência (PE-2), permitindo concluir que linhagens capazes de conduzirem a fermentação com alto teor de etanol podem ser obtidas da biodiversidade encontrada no ambiente das destilarias. / Brazil is the second largest ethanol producer and one of the leading ethanol exporter in the world, and this biofuel has great impact on the country economy. Huge demand is expected for this product, not only to supply the growing domestic consumption but due to the end of the United States market protectionism. In view of this, Brazil should produce more ethanol and at a lower cost to maintain competitiveness in relation to fossil fuels. One of the technological approaches which emerges is the high ethanol content fermentation. However, one of the limiting factors for this technology is the absence of proper strains to face the very harsh fermentation condition, where several stresses are simultaneously imposed to the fermenting yeast. This work aimed at selecting Saccharomyces cerevisiae strains from the biodiversity of yeasts found in Brazilian distilleries to conduct high ethanol fermentation with cell reuse. The selection strategy was to search for multiple tolerant strains to ethanol, acid, osmotic and thermal stresses. For that, a total of 525 strains, which were obtained from several distilleries, were subjected to a selection in order to highlight multi-tolerant strains. About half of these strains were subjected to a pre-screening procedure to evaluate growth (O.D.570nm, for 24 hours at 30ºC) in medium containing molasses and sugarcane juice (25% TRS), and 200 strains were selected. These 200 strains, together with 249 strains not previously evaluated, were screened in a medium imposing multiple stresses (ethanol, acid, osmotic and thermal). This medium was chosen after assessments of 26 different medium formulations with the above mentioned stresses and with different intensities. The purpose of that was to find a medium which best discriminate the tolerance of the reference yeasts: PE-2 and bakery Saccharomyces cerevisiae strains, with and without ability to persist in the industrial process, respectively. The strain tolerance was evaluated by biomass formation (O.D.570nm, for 24 hours at 30ºC). By this mean 34 strains were selected displaying similar or superior performance in comparison with PE-2 strain. These strains were then assessed for cell viability and growth in cell reuse fermentations (10 cycles), using cane juice/molasses substrates with increasing sugar content, at 30ºC, reaching 15-16% ethanol (v/v). The 10 strains with the best performances were subjected to final evaluation in fermentations simulating the industrial process with cell reuse, at 32ºC, using the same substrate with increasing sugar content, which allowed rises in ethanol content from 11 to 15% (v/v) over the cycles. For this final evaluation, the following parameters were determined: ethanol yield, biomass and glycerol formation, residual sugar levels, cell viability and storage carbohydrate levels (trehalose and glycogen). At least four strains showed superior fermentative attributes to reference strain (PE-2), leading to the conclusion that strains able to conduct high ethanol content fermentations can be obtained from the natural biodiversity found in Brazilian distilleries.

O Brasil é o segundo maior produtor e um dos maiores exportadores de etanol no mundo e tal biocombustível tem grande impacto na economia do país. A expectativa é de grande demanda por tal produto, quer pelo crescente consumo interno, como também em decorrência do fim do protecionismo nos Estados Unidos. Portanto, o Brasil deverá produzir mais etanol e a um custo mais reduzido para manter a competitividade frente aos combustíveis fósseis. Dentre as inovações tecnológicas estaria a fermentação com alto teor alcoólico. Contudo, um dos fatores limitantes para a implantação desta tecnologia é a ausência de leveduras apropriadas para tolerar as condições severas impostas por este tipo de fermentação, onde múltiplos estresses são impostos simultaneamente às leveduras. Assim, este trabalho se propôs a selecionar, da biodiversidade de leveduras encontradas nas destilarias brasileiras, linhagens de Saccharomyces cerevisiae com capacidade de conduzir fermentações com alto teor alcoólico e em condições de reciclo celular. A estratégia de seleção consistiu na busca de linhagens com tolerâncias múltiplas, frentes aos estresses etanólico, osmótico, ácido e térmico. Para tal, um total de 525 linhagens, obtidas de diferentes destilarias, foram submetidas a uma seleção para destacar linhagens com múltipla tolerância. Cerca de metade destas linhagens foram submetidas a uma seleção prévia avaliando-se o crescimento (D.O.570nm, durante 24 horas a 30ºC) em meio constituído de mosto misto (melaço e caldo de cana) com 25% de ART, selecionando 200 linhagens. Estas, acrescidas de mais 249 não avaliadas no meio anterior, foram igualmente submetidas a processo seletivo em meio contendo múltiplos estresses (etanólico, osmótico, ácido e térmico). Tal meio foi desenvolvido após avaliações de 26 combinações com os diferentes estresses acima mencionados e com diferentes intensidades. O objetivo foi buscar um meio que melhor discriminasse as tolerâncias das leveduras referencias: as linhagens de Saccharomyces cerevisiae PE-2 e de panificação, com e sem capacidade de implantação no processo industrial, respectivamente. A tolerância foi avaliada pela formação de biomassa (D.O.570nm, durante 24 horas a 30ºC). Assim, tal meio seletivo permitiu a seleção de 34 linhagens com perfis de tolerância igual ou superior ao da linhagem PE-2. Estas linhagens foram, a seguir, avaliadas quanto à viabilidade celular e ao crescimento em fermentações de mosto misto com teores crescentes de açúcares, ao longo de 10 reciclos a 30oC, atingindo teores de etanol de 15 a 16% (v/v). As 10 linhagens com os melhores desempenhos foram submetidas à avaliação final em fermentações simulando condições industriais, em reciclos fermentativos a 32ºC empregando-se mosto misto com teores crescentes de açúcares, permitindo aumentos nos teores de etanol de 11 a 15% (v/v) ao longo dos reciclos. Para esta avaliação final os seguintes parâmetros foram estimados: rendimento em etanol, formação de biomassa e glicerol, teores de açúcares residuais, viabilidade celular, e teores celulares dos carboidratos de reserva (glicogênio e trealose). Pelo menos 4 linhagens mostraram atributos fermentativos superiores ao da linhagem referência (PE-2), permitindo concluir que linhagens capazes de conduzirem a fermentação com alto teor de etanol podem ser obtidas da biodiversidade encontrada no ambiente das destilarias. / Brazil is the second largest ethanol producer and one of the leading ethanol exporter in the world, and this biofuel has great impact on the country economy. Huge demand is expected for this product, not only to supply the growing domestic consumption but due to the end of the United States market protectionism. In view of this, Brazil should produce more ethanol and at a lower cost to maintain competitiveness in relation to fossil fuels. One of the technological approaches which emerges is the high ethanol content fermentation. However, one of the limiting factors for this technology is the absence of proper strains to face the very harsh fermentation condition, where several stresses are simultaneously imposed to the fermenting yeast. This work aimed at selecting Saccharomyces cerevisiae strains from the biodiversity of yeasts found in Brazilian distilleries to conduct high ethanol fermentation with cell reuse. The selection strategy was to search for multiple tolerant strains to ethanol, acid, osmotic and thermal stresses. For that, a total of 525 strains, which were obtained from several distilleries, were subjected to a selection in order to highlight multi-tolerant strains. About half of these strains were subjected to a pre-screening procedure to evaluate growth (O.D.570nm, for 24 hours at 30ºC) in medium containing molasses and sugarcane juice (25% TRS), and 200 strains were selected. These 200 strains, together with 249 strains not previously evaluated, were screened in a medium imposing multiple stresses (ethanol, acid, osmotic and thermal). This medium was chosen after assessments of 26 different medium formulations with the above mentioned stresses and with different intensities. The purpose of that was to find a medium which best discriminate the tolerance of the reference yeasts: PE-2 and bakery Saccharomyces cerevisiae strains, with and without ability to persist in the industrial process, respectively. The strain tolerance was evaluated by biomass formation (O.D.570nm, for 24 hours at 30ºC). By this mean 34 strains were selected displaying similar or superior performance in comparison with PE-2 strain. These strains were then assessed for cell viability and growth in cell reuse fermentations (10 cycles), using cane juice/molasses substrates with increasing sugar content, at 30ºC, reaching 15-16% ethanol (v/v). The 10 strains with the best performances were subjected to final evaluation in fermentations simulating the industrial process with cell reuse, at 32ºC, using the same substrate with increasing sugar content, which allowed rises in ethanol content from 11 to 15% (v/v) over the cycles. For this final evaluation, the following parameters were determined: ethanol yield, biomass and glycerol formation, residual sugar levels, cell viability and storage carbohydrate levels (trehalose and glycogen). At least four strains showed superior fermentative attributes to reference strain (PE-2), leading to the conclusion that strains able to conduct high ethanol content fermentations can be obtained from the natural biodiversity found in Brazilian distilleries.

In Brazil, especially in Rio Grande do Sul, there is a significant increase in ethanol production in small scale, i.e. in micro distilleries. These small-scale distilleries benefit small farmers, decentralize ethanol production and are based on the economic, social and environmental issue, but they do not hold enough technology that enables high performance in their processes, especially in the distillation stage. View of all this, it has developed this work, which aims to study the performance of a distillation column in permanent regime, developed and built at the Laboratory for Post-Graduate Processes Engineering using as feed a commercial ethanol solution and water, varying the concentration and the input flow into the column. It was opted for a standardized solution in order to achieve free results from interference by possible impurities. The concentration and flow of feed were set as independent variables and their limits established respectively in 5 and 9 °GL (% by volume) and 1848-4385 g/h. The concentrations of the distillate and of the bottom product were defined as dependent variables. Eleven tests were carried out according to the methodology of planning of experiments by using a central composite rotatable delineation, with triplicate at the central point. Three samples of distillate and bottom product were collected in flasks with lids, at intervals of fifteen minutes. Data were tabulated in spreadsheets from excel. Statistical analysis, using the software Statistica 7th version, was performed to evaluate whether the parameters: ethanol concentration and input flow of feed product interfere in the obtaining ethanol in patterns determined by ANP Resolution n°. 7, February 9th, 2011, i.e., Hydrous Ethanol Fuel (HEF) with ethanol concentration between 92.5 - 93.8°INPM. It was observed that, for the distillate, feed concentration and input flow, both in the quadratic form, are significant, i.e., there is the influence of these two variables in the obtaining of ethanol with higher alcoholic strength, but it was not able to reach the standard established by resolution of ANP. For the bottom product, it was found that neither concentration nor the input flow influence in their alcoholic concentration, possibly by design of the studied column. / No Brasil, principalmente no Rio Grande do Sul, há um aumento significativo na produção de etanol em pequena escala, ou seja, em microdestilarias. Essas microdestilarias beneficiam os pequenos agricultores, descentralizam a produção de etanol e tem como base a questão econômica, social e ambiental; porém não detêm tecnologia suficiente que permita um alto rendimento nos seus processos, em especial na etapa de destilação. Diante de tudo isso, desenvolveu-se este trabalho, que tem o propósito de estudar o desempenho de uma coluna de destilação em regime permanente, desenvolvida e construída no Laboratório de Pós-Graduação em Engenharia de Processos, utilizando como alimentação uma solução de etanol comercial e água, variando a concentração e a vazão de entrada na coluna. Optou-se por uma solução padronizada a fim de se alcançar resultados livres da interferência de possíveis impurezas. A concentração e a vazão de alimentação foram definidas como variáveis independentes e seus limites estabelecidos respectivamente em 5 e 9 °GL (% em volume) e 1848-4385 kg/h. As concentrações do destilado e do produto de fundo foram definidas como variáveis dependentes. Foram realizados onze ensaios de acordo com a metodologia de planejamento de experimentos, através da utilização de um delineamento composto central rotacional, com triplicata no ponto central. Foram coletadas, em frascos com tampa, três amostras de destilado e produto de fundo, em intervalos de quinze minutos. Os dados foram tabulados em planilhas do excel. A análise estatística, através do programa Statistica versão 7, foi realizada para avaliar se os parâmetros teor alcoólico e vazão de entrada do produto de alimentação interferem na obtenção de etanol nos padrões determinados pela Resolução ANP nº 7, de 9 de fevereiro de 2011, ou seja, Etanol Hidratado Combustível (EHC) com teor alcoólico entre 92,5-93,8 °INPM. Observou-se que, para o destilado, a concentração de alimentação e a vazão de alimentação, ambas na forma quadrática, são significativas, isto é, há a influência dessas duas variáveis na obtenção de etanol com maior teor alcoólico, porém não se conseguiu alcançar o padrão estabelecido pela Resolução da ANP. Para o produto de fundo, constatou-se que nem a concentração, nem a vazão de alimentação influenciam no seu teor alcoólico, possivelmente pelo desenho da coluna estudada.

O aumento da participação dos biocombustíveis na matriz energética mundial pode ajudar a prolongar a existência das reservas de petróleo, mitigar as ameaças representadas pela mudança climática e permitir melhor segurança do fornecimento de energia em uma escala global. Neste cenário, o processo brasileiro da produção de etanol a partir da cana-de-açúcar tem ganhado papel de destaque, pelo alto rendimento e baixo custo da produção. Linhagens de S. cerevisiae são amplamente empregadas nas fermentações industriais e, embora sejam consideradas mais tolerantes em relação a outras, o processo brasileiro impõe uma variedade de fatores estressantes sob a mesma, afetando o seu metabolismo e crescimento. A fermentação com alto teor alcoólico, realizada a partir da utilização de mostos contendo altas concentrações de açúcares, é uma das maneiras mais eficientes de se obter elevados níveis de etanol. No entanto, tal tecnologia procede ocasionando efeitos deletérios adicionais à levedura. Neste contexto, aumentar a tolerância da levedura é de fundamental importância para alcançar um desempenho fermentativo satisfatório. Neste estudo foram avaliadas linhagens de S. cerevisiae, isogênicas a linhagem industrial CAT-1, com a sobre-expressão dos genes TRP1 e MSN2, envolvidos na biossíntese de triptofano e na resposta geral ao estresse, respectivamente. Tais linhagens foram avaliadas quanto ao seu potencial para realizar fermentações com alto teor alcoólico, simulando as condições industriais brasileiras. Os resultados revelaram que o gene MSN2, na versão truncada, favoreceu a linhagem principalmente com relação ao estresse osmótico, aumentando a velocidade de fermentação e o consumo de açúcares. O gene TRP1 promoveu maior crescimento da linhagem em meio YEPD com 8% de etanol, contudo, tornou a linhagem menos viável em concentrações acima deste nível. No presente trabalho também foi avaliado o efeito da suplementação de aminoácidos na fisiologia da linhagem CAT-1 em meio YNB e em mostos de melaço e xarope de cana-de-açúcar. A suplementação com histidida promoveu maior crescimento e viabilidade celular nos diferentes meios testados. Além de histidina, os aminoácidos lisina e alanina aumentaram o crescimento da CAT-1 em mosto de melaço. A suplementação de triptofano e asparagina também promoveu aumento da viabilidade celular em mosto de xarope. Por outro lado, nos testes em microplacas a suplementação com cisteína depreciou o crescimento da linhagem em meio YNB com 10 e 12% de etanol e em mosto de melaço com 20% de ART. Os resultados obtidos indicam que tanto a engenharia genética, quanto a suplementação de aminoácidos podem ser alternativas viáveis para aumentar a tolerância de S. cerevisiae, para suportar condições de múltiplo estresse, encontradas em destilarias brasileiras. / The expansion biofuels participation in the world energy matrix would help to extend the existence of fossil fuel reservoirs, mitigate the threats of climate change, and enable a better security of energy supply. The Brazilian process of ethanol production from sugarcane has gained an important role in the global energy scenario, for the high yield and low production cost. S. cerevisiae species is widely used in industrial fermentations for being resistant, but the Brazilian process imposes a variety of stressing factors to the yeast, affecting its metabolism and growth. The Very High Gravity Fermentation is performed by the utilization of musts with high sugar concentration and is one of the most efficient ways for obtaining high ethanol levels. However, this technology causes additional deleterious effects to the yeast. In this context, increasing yeast tolerance is of fundamental importance for a satisfactory fermentative performance. In this study we assessed S. cerevisiae strains - isogenic to the industrial strain CAT-1 - with over expression of TRP1 and MSN2 genes involved to tryptophan biosynthesis and in general stress response, respectively. These strains were evaluated for their potential to perform fermentations with high ethanol content, simulating the conditions of Brazilian distilleries. The results showed that the MSN2 gene in the truncated version improved strain mainly to respond to the osmotic stress, increasing in fermentation velocity and the consumption of sugars. The TRP1 gene overexpression promoted higher growth in YEPD medium with 8% ethanol, however, decreased viability at concentrations above this level. The present work also evaluated the effect of amino acid supplementation on the physiology of the CAT-1 strain in YNB medium and in molasses and syrup of sugarcane. Histidide supplementation increased the growth and cell viability in the different media tested. In addition to histidine, the amino acids lysine and alanine increased the growth of CAT-1 in molasses. Supplementation of tryptophan and asparagine also promoted increased cell viability in sugarcane syrup. On the other hand, in microplate assays, cysteine supplementation decreased growth in YNB medium with 10 and 12% ethanol, and in molasses with 20% ART. The results indicate that both genetic engineering and amino acid supplementation may be viable alternatives to increase tolerance of S. cerevisiae to supporting multiple stress conditions typical in Brazilian distilleries.

O aumento da participação dos biocombustíveis na matriz energética mundial pode ajudar a prolongar a existência das reservas de petróleo, mitigar as ameaças representadas pela mudança climática e permitir melhor segurança do fornecimento de energia em uma escala global. Neste cenário, o processo brasileiro da produção de etanol a partir da cana-de-açúcar tem ganhado papel de destaque, pelo alto rendimento e baixo custo da produção. Linhagens de S. cerevisiae são amplamente empregadas nas fermentações industriais e, embora sejam consideradas mais tolerantes em relação a outras, o processo brasileiro impõe uma variedade de fatores estressantes sob a mesma, afetando o seu metabolismo e crescimento. A fermentação com alto teor alcoólico, realizada a partir da utilização de mostos contendo altas concentrações de açúcares, é uma das maneiras mais eficientes de se obter elevados níveis de etanol. No entanto, tal tecnologia procede ocasionando efeitos deletérios adicionais à levedura. Neste contexto, aumentar a tolerância da levedura é de fundamental importância para alcançar um desempenho fermentativo satisfatório. Neste estudo foram avaliadas linhagens de S. cerevisiae, isogênicas a linhagem industrial CAT-1, com a sobre-expressão dos genes TRP1 e MSN2, envolvidos na biossíntese de triptofano e na resposta geral ao estresse, respectivamente. Tais linhagens foram avaliadas quanto ao seu potencial para realizar fermentações com alto teor alcoólico, simulando as condições industriais brasileiras. Os resultados revelaram que o gene MSN2, na versão truncada, favoreceu a linhagem principalmente com relação ao estresse osmótico, aumentando a velocidade de fermentação e o consumo de açúcares. O gene TRP1 promoveu maior crescimento da linhagem em meio YEPD com 8% de etanol, contudo, tornou a linhagem menos viável em concentrações acima deste nível. No presente trabalho também foi avaliado o efeito da suplementação de aminoácidos na fisiologia da linhagem CAT-1 em meio YNB e em mostos de melaço e xarope de cana-de-açúcar. A suplementação com histidida promoveu maior crescimento e viabilidade celular nos diferentes meios testados. Além de histidina, os aminoácidos lisina e alanina aumentaram o crescimento da CAT-1 em mosto de melaço. A suplementação de triptofano e asparagina também promoveu aumento da viabilidade celular em mosto de xarope. Por outro lado, nos testes em microplacas a suplementação com cisteína depreciou o crescimento da linhagem em meio YNB com 10 e 12% de etanol e em mosto de melaço com 20% de ART. Os resultados obtidos indicam que tanto a engenharia genética, quanto a suplementação de aminoácidos podem ser alternativas viáveis para aumentar a tolerância de S. cerevisiae, para suportar condições de múltiplo estresse, encontradas em destilarias brasileiras. / The expansion biofuels participation in the world energy matrix would help to extend the existence of fossil fuel reservoirs, mitigate the threats of climate change, and enable a better security of energy supply. The Brazilian process of ethanol production from sugarcane has gained an important role in the global energy scenario, for the high yield and low production cost. S. cerevisiae species is widely used in industrial fermentations for being resistant, but the Brazilian process imposes a variety of stressing factors to the yeast, affecting its metabolism and growth. The Very High Gravity Fermentation is performed by the utilization of musts with high sugar concentration and is one of the most efficient ways for obtaining high ethanol levels. However, this technology causes additional deleterious effects to the yeast. In this context, increasing yeast tolerance is of fundamental importance for a satisfactory fermentative performance. In this study we assessed S. cerevisiae strains - isogenic to the industrial strain CAT-1 - with over expression of TRP1 and MSN2 genes involved to tryptophan biosynthesis and in general stress response, respectively. These strains were evaluated for their potential to perform fermentations with high ethanol content, simulating the conditions of Brazilian distilleries. The results showed that the MSN2 gene in the truncated version improved strain mainly to respond to the osmotic stress, increasing in fermentation velocity and the consumption of sugars. The TRP1 gene overexpression promoted higher growth in YEPD medium with 8% ethanol, however, decreased viability at concentrations above this level. The present work also evaluated the effect of amino acid supplementation on the physiology of the CAT-1 strain in YNB medium and in molasses and syrup of sugarcane. Histidide supplementation increased the growth and cell viability in the different media tested. In addition to histidine, the amino acids lysine and alanine increased the growth of CAT-1 in molasses. Supplementation of tryptophan and asparagine also promoted increased cell viability in sugarcane syrup. On the other hand, in microplate assays, cysteine supplementation decreased growth in YNB medium with 10 and 12% ethanol, and in molasses with 20% ART. The results indicate that both genetic engineering and amino acid supplementation may be viable alternatives to increase tolerance of S. cerevisiae to supporting multiple stress conditions typical in Brazilian distilleries.

A linhagem Pedra 2 (PE-2) de Saccharomyces cerevisiae destaca-se por ser o organismo mais comumente utilizado no processo industrial de produção de biocombustíveis. Com a descoberta das linhagens selvagens, alcançou-se uma maior tolerância ao etanol permitindo o desenvolvimento de uma nova tecnologia: a fermentação com alto teor alcoólico. Desta forma, foi possível aumentar tanto a concentração de açúcares totais do mosto quanto o volume final de etanol purificado. No entanto, esse novo processo de fermentação tem causado um agravamento nos diversos estresses aplicados à levedura. No presente trabalho, é apresentado o perfil transcricional da linhagem PE-2 sob condições de alto etanol em fermentadores industriais através da tecnologia de microarranjo de DNA. Com a utilização desta, analisou-se o perfil global da expressão da levedura, identificando grupos de genes de interesse e vias metabólicas correguladas no processo de adaptação e sobrevivência às diferentes condições de estresses impostas a levedura pela fermentação industrial. Mais especificamente, 5860 genes foram estudados nesse trabalho e tiveram as suas variações de expressão quantificadas ao longo dos tempos 0, 6, 12 e 18 horas do ciclo fermentativo industrial. Em particular, algumas vias metabólicas associadas a compostos-chave no processo fermentativo tiveram seus genes diferenciamente expressos mapeados. Além disso, identificou-se vários grupos de genes altamente correlacionados a diferentes processos biológicos em S. cerevisiae, como por exemplo, a atividade de biossíntese de etanol. Por fim, espera-se que estes resultados forneçam bases para a realização de estudos mais direcionados no intuito de obter uma maior eficiência fermentativa e adaptação a estresses gerados durante durante o processo industrial. / The Pedra-2 (PE-2) strain of Saccharomyces cerevisiae is commonly used in the industrial process for biofuel production. In studies of wild type strains of S. cerevisiae, a wider tolerance to ethanol was achieved, which allowed for the development of a new technology of high alcohol percentage fermentation. This process made possible the increase of total sugar concentration in the mixture, and the volume of purified ethanol, although the new process has caused increase in the stresses applied to the yeast. In this study, the transcriptional profile of the PE-2 strain in high ethanol conditions is presented using DNA microarray. The global expression profile was used to identify groups of genes of interest and to analyze metabolic pathways that became co-regulated in adaptation to stress conditions imposed to the yeast by the industrial fermentation. In particular, 5860 genes were studied in this work and were detailed according to their expression profiles belong the fermentation cicle (0, 6, 12 and 18 hours). Moreover, metabolic pathways associated to key compounds in the fermentative process were described in terms of the composition of the differentially expressed genes. In addition, groups of genes highly correlated to different biological process in S. cerevisiae were identified. Finally, it is expected that this work could provide new directions in the study of fermentative efficiency and induced stress adaptation during the industrial fermentative process.

A linhagem Pedra 2 (PE-2) de Saccharomyces cerevisiae destaca-se por ser o organismo mais comumente utilizado no processo industrial de produção de biocombustíveis. Com a descoberta das linhagens selvagens, alcançou-se uma maior tolerância ao etanol permitindo o desenvolvimento de uma nova tecnologia: a fermentação com alto teor alcoólico. Desta forma, foi possível aumentar tanto a concentração de açúcares totais do mosto quanto o volume final de etanol purificado. No entanto, esse novo processo de fermentação tem causado um agravamento nos diversos estresses aplicados à levedura. No presente trabalho, é apresentado o perfil transcricional da linhagem PE-2 sob condições de alto etanol em fermentadores industriais através da tecnologia de microarranjo de DNA. Com a utilização desta, analisou-se o perfil global da expressão da levedura, identificando grupos de genes de interesse e vias metabólicas correguladas no processo de adaptação e sobrevivência às diferentes condições de estresses impostas a levedura pela fermentação industrial. Mais especificamente, 5860 genes foram estudados nesse trabalho e tiveram as suas variações de expressão quantificadas ao longo dos tempos 0, 6, 12 e 18 horas do ciclo fermentativo industrial. Em particular, algumas vias metabólicas associadas a compostos-chave no processo fermentativo tiveram seus genes diferenciamente expressos mapeados. Além disso, identificou-se vários grupos de genes altamente correlacionados a diferentes processos biológicos em S. cerevisiae, como por exemplo, a atividade de biossíntese de etanol. Por fim, espera-se que estes resultados forneçam bases para a realização de estudos mais direcionados no intuito de obter uma maior eficiência fermentativa e adaptação a estresses gerados durante durante o processo industrial. / The Pedra-2 (PE-2) strain of Saccharomyces cerevisiae is commonly used in the industrial process for biofuel production. In studies of wild type strains of S. cerevisiae, a wider tolerance to ethanol was achieved, which allowed for the development of a new technology of high alcohol percentage fermentation. This process made possible the increase of total sugar concentration in the mixture, and the volume of purified ethanol, although the new process has caused increase in the stresses applied to the yeast. In this study, the transcriptional profile of the PE-2 strain in high ethanol conditions is presented using DNA microarray. The global expression profile was used to identify groups of genes of interest and to analyze metabolic pathways that became co-regulated in adaptation to stress conditions imposed to the yeast by the industrial fermentation. In particular, 5860 genes were studied in this work and were detailed according to their expression profiles belong the fermentation cicle (0, 6, 12 and 18 hours). Moreover, metabolic pathways associated to key compounds in the fermentative process were described in terms of the composition of the differentially expressed genes. In addition, groups of genes highly correlated to different biological process in S. cerevisiae were identified. Finally, it is expected that this work could provide new directions in the study of fermentative efficiency and induced stress adaptation during the industrial fermentative process.