Μελετήθηκε ο μεταβολισμός της γλυκερόλης στη ζύμη Yarrowia lipolytica ACA–DC 50109 με έμφαση στη μετατροπή της σε λιπίδια και κιτρικό οξύ, μεταβολικά προϊόντα που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη βιοτεχνολογία. Σε καλλιέργειες που πραγματοποιήθηκαν σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου, επί πολλαπλώς περιοριστικού μέσου, διαπιστώθηκε η ύπαρξη τριών διακριτών φάσεων αύξησης που χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα μορφολογικά και βιοχημικά χαρακτηριστικά: η φάση βιοσύνθεσης κυτταρικής μάζας (κατά την οποία συντέθηκαν 4–4,5 g/l βιομάζας), η ελαιογόνος φάση (κατά την οποία πραγματοποιήθηκε συσσώρευση λιπιδίων 20–22% wt/wt επί ξηρής βιομάζας, 90% wt/wt των οποίων ήταν ουδέτερα) και η φάση παραγωγής κιτρικού οξέος (κατά την οποία εκκρίθηκαν στο περιβάλλον της αύξησης 14–30 g/l κιτρικού οξέος). Κατά τη διάρκεια των ανωτέρω φάσεων η ζύμη διήλθε από διάφορα μορφολογικά στάδια: μικρού μήκους αληθή μυκήλια και ψευδομυκήλια που κυριάρχησαν των κυττάρων ζύμης κατά τη φάση βιοσύνθεσης κυτταρικής μάζας, ευμεγέθη κύτταρα κατά τη φάση της ελαιογένεσης και μικρού μεγέθους κύτταρα ζύμης κατά τη φάση παραγωγής κιτρικού οξέος. Η γλυκερόλη διαπερνά την κυτταροπλασματική μεμβράνη με διευκολυνόμενη διάχυση και καταβολίζεται μέσω των αντιδράσεων της κινάσης της γλυκερόλης – GK και της NAD+ εξαρτώμενης αφυδρογονάσης της 3–P–γλυκερόλης. Την υψηλή ενεργότητα της NAD+ εξαρτώμενης ισοκιτρικής αφυδρογονάσης (NAD+–ICDH) κατά τη διάρκεια της φάσης βιοσύνθεσης κυτταρικής μάζας διαδέχθηκε σημαντική πτώση της ενεργότητάς της, επάγοντας τη λιπογένεση. Απρόσμενη αποδόμηση των αποθεματικών (ουδέτερων) λιπιδίων και σημαντική βιοσύνθεση γλυκολιπιδίων, σφιγγολιπιδίων και φωσφολιπιδίων – Ρ παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια της φάσης παραγωγής κιτρικού οξέος, φάση κατά την οποία η ενεργότητα της GK είχε μειωθεί σημαντικά ενώ η ενεργότητα της NAD+–ICDH είχε σχεδόν μηδενιστεί. Το ελαϊκό οξύ ήταν το κυριότερο λιπαρό οξύ ενώ η φωσφατιδυλχολίνη – PC το κύριο Ρ. Σε συνεχές σύστημα καλλιέργειας επί θρεπτικού υλικού περιοριστικού σε άζωτο, βιοσυντέθηκαν περιορισμένες μόνο ποσότητες λιπιδίων (~10% wt/wt, επί της ξηρής βιομάζας), γεγονός που μπορεί αποδοθεί στο ότι δεν υπήρχε μια περιοχή του ειδικού ρυθμού αραίωσης (D, h–1) στην οποία τα ένζυμα – κλειδιά που εμπλέκονται στη λιπογένεση (όπως η ΑΤΡ:κιτρική λυάση – ATP:CL και το μηλικό ένζυμο – ME) να παρουσιάζουν συγχρόνως υψηλές ενεργότητες, ενώ η ενεργότητα της NAD+–ICDH μειώθηκε, όχι όμως σημαντικά, στους χαμηλούς D. Η ενεργότητα της ATP:CL χαρακτηρίστηκε από υψηλές τιμές (60–300 Units/mg DW) σε D 0,033 h–1 ενώ οι μέγιστες τιμές ενεργότητας του ME (650 Units/mg DW) εμφανίστηκαν σε D=0,104 h–1. Τα λιπίδια της ζύμης ήταν περισσότερο ακόρεστα σε ενδιάμεσες τιμές D. Σε όλους τους D η φωσφατιδυλαιθανολαμίνη – PE, η φωσφατιδυλινοσιτόλη – PI και η PC αντιπροσωπεύουν τις κυριότερες κλάσεις των Ρ. Όσον αφορά τη μορφολογία της ζύμης, βρέθηκε ότι σε D<0,055 h–1 επικρατούσαν αληθή μυκήλια και ψευδομυκήλια ενώ σε D 0,055 h–1 παρατηρήθηκαν μόνο κύτταρα ζύμης. Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν επί θρεπτικού υλικού περιοριστικού σε άζωτο, σε D=0,026 h–1, σε διαφορετικές συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου – DO παρατηρήθηκε αυξημένο ποσοστό του κλάσματος των Ρ επί των ολικών λιπιδίων στις ακραίες σε τιμές DO ( 70% και 7%). Ανεξάρτητα των τιμών DO η PC ήταν η κλάση με το μεγαλύτερο ποσοστό, ακολουθούμενη από την PI και PE. Ειδικότερα το ποσοστό της ΡΕ παρουσιάστηκε ιδιαίτερα αυξημένο σε ενδιάμεσες τιμές DO (20% και 30%). Σε DΟ 50% επικρατούσαν αληθή μυκήλια και ψευδομυκήλια ενώ σε DΟ 50% εμφανίστηκαν στην καλλιέργεια περισσότερα κύτταρα ζύμης. Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε D=0,026 h–1 βρέθηκε ότι ο περιορισμός της αύξησης από ιχνοστοιχεία όπως το μαγνήσιο και το ασβέστιο τα οποία εμπλέκονται σε πολλαπλές κυτταρικές λειτουργίες, είχαν δυσμενή επίδραση στη φυσιολογία της ζύμης, ωστόσο η σύσταση των λιπιδίων σε λιπαρά οξέα δεν επηρεάστηκε από τη φύση του περιοριστικού για την αύξηση παράγοντα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή φιλοδοξεί να συμβάλει στη μελέτη της φυσιολογίας των ελαιογόνων μικροοργανισμών και στη χρήση της γλυκερόλης ως υποστρώματος σε μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές. / In this thesis the metabolism of glycerol in Yarrowia lipolytica ACA–DC 50109, with emphasis on glycerol conversion into value–added biotechnological products, such as single cell oils and citric acid, was studied. The growth of Y. lipolytica was studied in bioreactor batch cultures in multiple limited medium and three distinct phases were identified during growth cycle. In each phase, yeast cells were characterized by specific morphological and biochemical features: biomass formation phase (in which 4–4.5 g/l of biomass were synthesized), lipogenic phase (in which 20–22% lipids wt/wt in dry weight were accumulated in biomass, containing 90% wt/wt neutral lipids) and citric acid production phase (in which 14–30 g/l of citric acid were secreted in the growth environment). Distinct cellular forms of Y. lipolytica were developed during the above phases: in biomass formation phase short true mycelia and pseudo–mycelia were predominant while a few yeast–like cells were observed, in lipogenic phase large obese cells were predominant and in citric acid production phase cells size was diminished. Glycerol passes into the microbial cell by facilitated diffusion. Y. lipolytica successfully converts glycerol via phosphorylation pathway, in which glycerol kinase (GK) and glycerol–3–P–dehydrogenase are implicated. Though high activity of NAD+ dependent isocitric dehydrogenase (NAD+–ICDH) was detected during biomass formation phase, this activity was significantly decreased afterwards inducing lipogenesis. Surprisingly, storage (neutral) lipid turnover and synthesis of glycolipids, sphingolipids and phospholipids – Ρ simultaneously occurred with citric acid production, and happened when GK activity was considerably reduced and NAD+–ICDH activity was minimised. Oleic acid was the major fatty acid in all lipid fractions and phosphatidylcholine – PC was the main Ρ. In continuous culture in nitrogen limited medium Y. lipolytica accumulated low quantities of lipids (~10% w/w, in dry weight), maybe due to the fact that there was not a region of specific dilution rate (D, h–1) in which the key–enzymes that are implicated in lipogenesis (i.e. ΑΤΡ:citrate lyase – ATP:CL and malic enzyme – ME) presented simultaneously high activity while NAD+–ICDH activity was insignificantly decreased in low D. ATP:CL presented high activity (60–300 Units/mg DW) in D 0,033 h–1 while ME presented maximum activity (650 Units/mg DW) in D=0,104 h–1. Lipids were more unsaturated in intermediate D values while phosphatidylethanolamine – PE, phosphatidylinositol – PI and PC are the main Ρ classes. As far as the morphology is concerned, in D<0,055 h–1 short true mycelia and pseudo–mycelia were predominant in culture medium while in D 0,055 h–1 only yeast cells were observed. In experiments performed in nitrogen limited medium in D=0,026 h–1 in different dissolved oxygen – DO concentrations, it was found that in extreme DO values ( 70% and 7%) the percentage of P was increased. Independently the DO concentration PC was the main class followed by PI and PE. The morphology of Y. lipolytica was influenced by the different concentration of DO and it was observed that in DΟ 50% short true mycelia and pseudo–mycelia were predominant in culture medium while in DΟ 50% more yeast cells were appeared. In experiments performed in D=0,026 h–1, it was found that the absence of micronutrients from the growth medium, i.e. magnesium and calcium that are implicated in multiple cellular functions, had severe effects in yeast physiology, while the fatty acid composition of cellular lipids was not affected by the nature of the growth limiting factor. The present thesis aspires to contribute in the study of oleaginous microorganisms’ physiology and in use of glycerol as substrate in future biotechnological applications.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / An investigation of the lipid metabolism pathway in the yeast Yarrowia lipolytica was conducted. Yarrowia is an oleaginous ascomycete that is capable of growing on many different substrates, which derives its name from its high efficiency of growth on lipids. Once the exogenous lipids are converted into free fatty acids and internalized by the yeast, the primary mode of degradation is through β-oxidation mediated by the peroxisomal oxidases, or POX genes. These enzymes catalyze the formation of a trans double bond, producing the trans-2-enoyl product. Our study looked at the comparison of the Y. lipolytica prototrophic strain against a knockout of the Pox2 gene on the uptake, incorporation, and degradation of relevant fatty acids. To construct this gene knockout, a novel gene deletion method using a combination of Cre recombinase and the AHAS* gene was synthesized, developed, and tested successfully. This knockout system allows for serial deletion of genes with the use of only one resistance marker, with excision of the marker after selection.