System biology and fermentation development can be integrated using shotgun proteomics as a monitoring technique. This study established shotgun proteomics methods and bioinformatics workflows to monitor and study the temporal proteome of three different fermentation processes, a) Saccharomyces cerevisiae ethanol fermentation, b) Scheffersomyces stipitis xylose fermentation, c) co-culture fermentation using S. cerevisiae and S. stipitis. This study identified 1,331 non-redundant proteins in S. cerevisiae fermentation, 958 in S. stipitis fermentation, and 1,390 in the co-culture process. The false discovery rates were calculated from 0.16% to 4.22%. Technical replicates throughout the study exhibited high correlations. Throughout the study, rich medium under oxygen limited condition were used, and shotgun proteomics samples were taken between or within the exponential phase and early diauxic shift. The most abundant proteins consisted of translation elongation factors, ribosomal proteins, chaperones and glycolytic enzymes such as glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, fructose 1, 6-bisphosphate aldolase and enolase. The unexpected observation in S. stipitis included the induction of NAD(P)H-dependent D-xylose reductase and D-xylulose reductase in co-culture process with xylose absent. Continuous expressions of malate synthase and isocitrate lyase before glucose or xylose depletion suggested a different glyoxylate regulatory pathway in S. stipitis. Up-regulation of enzymes involved in various amino acids biosynthesis inferred the lack of amino acid pool in rich medium. Differentially expressed proteins based on label-free quantitation showed steady and consistent decline of ribosomal protein into diauxic shift in S. stipitis. The majority of the up-regulated proteins in late-exponential and early diauxic shift in S. stipitis were involved in carbohydrate metabolism, glycolysis, amino acid metabolism, gluconeogenesis, glyoxylate and oxidative phosphorylation. In S. cerevisiae, the concurrence of ribosomal proteins in both up-and down-regulated proteins demonstrated no discernible pattern. Toward the end of the exponential phase, cytochrome c, F1F0 ATP synthase (oxidative phosphorylation) and pyruvate decarboxylase (committing pyruvate to acetaldehyde) were simultaneously up-regulated. In the co-culture process, S. cerevisiae glycolytic enzymes, ribosomal proteins and chaperones were up-regulated in early diauxic shift after glucose depletion. Shotgun proteomics allowed scientists and engineers to observe the progression and the status of the fermentation, while high-throughput data sets can elucidate yeast physiological states during fermentations. / La biologie systémique et le développement des fermentations peuvent être intégrés à l'aide de la méthode de surveillance dite « protéomique fusil ». La présente étude a mis en place une méthode de protéomique fusil jumelée à un flux de travaux bioinformatiques pour surveiller et étudier le protéome temporel de trois processus de fermentation différents : a) fermentation de l'éthanol Saccharomyces cerevisiae ; b) fermentation du xylose Scheffersomyces stipitis ; c) fermentation de co-cultures mêlant S. cerevisiae et S. stipitis.L'étude a identifié 1331 protéines non-redondantes dans la fermentation de S. cerevisiae, 958 dans la fermentation de S. stipitis et 1390 dans le processus en co-culture. La marge d'erreur a été établie entre 0.16% et 4.22%. Des reproductions techniques au cours de l'étude ont montré une grande reproductibilité et de nombreuses corrélations.L'étude a utilisé un milieu riche limité en oxygène ; les échantillons de protéomique fusil ont été pris entre (ou au cours de) la phase exponentielle et le début de la Diauxie. Les protéines les plus abondantes ont été des facteurs d'élongation, des ribosomes, des protéines chaperon ainsi que des enzymes de glycolyse tels que glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase, fructose-1,6-diphosphate aldolase et énolase.Parmi les observations inattendues dans S. stipitis, on note le déclenchement de D-xylose réductase NADH-dépendant et de D-xylulose réductase dans le processus de co-culture même en l'absence de xylose. Les manifestations récurrentes de synthase de malate et de lyase isocitrique avant l'appauvrissement en glucose ou en xylose suggèrent une voie de régulation de l'acide glyoxylique différente dans S. stipitis. La régulation positive d'enzymes impliquées dans diverses biosynthèses d'acides aminés indique la pauvreté du réservoir d'acides aminés dans un milieu riche. Des protéines s'exprimant différemment sur une base quantificative libre montrent un recul régulier et prononcé de protéines ribosomales durant la Diauxie de S. stipitis. La majorité des protéines positivement régulées à la fin de la phase exponentielle ou au début de la Diauxie de S. stipitis sont impliquées dans le métabolisme des glucides, la glycolyse, le métabolisme des acides aminés, la néoglucogenèse, le cycle du glyoxylate et la phosphorylation oxydative.Dans S. cerevisiae, la présence simultanée de ribosomes dans les protéines à la fois positivement et négativement régulées démontre un mode de comportement complexe et inconstant. Vers la fin de la phase exponentielle, le cytochrome C, F1-F0 ATP-synthase et la pyruvate décarboxylase sont tous positivement régulés. Dans le processus en co-culture, les enzymes de glycolyse de S. cerevisiae, les ribosomes et les protéines chaperon sont positivement régulés au début de la Diauxie après l'appauvrissement en glucose.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110612 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Huang, Eric |
| Contributors | Mark Lefsrud (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Bioresource Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
Page generated in 0.0028 seconds