Quantitative evaluation of sodium and potassium salts stress in yeasts

Abstract

Saline stress is commonly encountered by microbial cell factories. The molecular mechanisms of saline stress are identified in the conventional budding yeast Saccharomyces cerevisiae that is used in biotechnology. However, for diversification of microbial cell factories, non-conventional yeasts provide an attractive opportunity but saline stress in these yeasts is not very well investigated. This thesis is focused on achieving foundational understanding of morphological and physiological response to saline stress of conventional and non-conventional yeasts by comparing Saccharomyces cerevisiae W303 and CEN.PK113-7D together with Kluyveromyces marxianus and Rhodotorula toruloides. The results showed that effects of Na+ stress could be ameliorated by potassium supplementation in S. cerevisiae CEN.PK113-7D increasing its specific growth rate by almost four-fold. In addition, combination of sodium and potassium salts resulted in impaired acetic acid and/or ethanol metabolism in S. cerevisiae. Further, in this thesis, a neural network-based image analysis software pipeline for a quantitative evaluation of saline stress response was developed that could be used to determine differences in cell volume among the strains. Quantitative image analysis found a high variability in cell volume dynamics implying distinct stress response mechanisms among different yeasts. The cell volume differences could be used to model saline stress responses in various bioprocesses in biotechnology. In estonian: Kõrgete soola kontsenteratsioonide poolt põhjustatud osmootne stress on levinud stressifaktor tööstuslikult kasutavatele mikroorganismidel põhinevatele rakuvabrikutele. Soola stressi molekulaarsed mehhanismid on tuvastatud tavapärases punguvas pärmis Saccharomyces cerevisiae, mida kasutatakse biotehnoloogias. Mittekonventsionaalsed pärmid kujundavad endast atraktiivset võimalust mikrobioloogiliste rakuvabrikute diversifitseerimiseks, kuid soola stress sellistes pärmides on tänini praktiliselt kirjeldamata. Käesoleva bakalaureusetöö eesmärk on fundamentaalse arusaama saavutamine konventsionaalsete ja mittekonventsionaalsete pärmide ja nende soola stressi morfoloogilise ja füsioloogilise vastuste suhtes. Võrdluseks on kasutatud Saccharomyces cerevisiae CEN.PK113-7D ja W303, Kluyveromyces marxianus ja Rhodotorula toruloides pärmide tüvesid. Tulemused näidavad, et naatriumi tingitud stressi effektid võib leevendada kaaliumi lisamisega pärmis S. cerevisiae CEN.PK113-7D, peaaegu neljakordistades tema erikasvukiirust. Lisaks, naatriumi ja naatriumi/kaaliumi kombinatsioonid põhjustasid nõrgenenud atsetaadi ja/või etanooli metabolismi pärmis S. cerevisiae. Peale selle, tehisnärvivõrgul põhinev pilditöötluse tarkvara oli välja töötatud soola stressist põhjustatud rakkude ruumala muutuste kvantitatiivseks analüüsiks. Kvantitatiivne piltide analüüs on leidnud suurt variatiivsust rakkude mahus, vihjates eristuvatele stressile vastuste mehhanismidele erinevates pärmides. Rakkude mahu erinevusi võib kasutada soola stressile vastuste modelleerimiseks mitmesugustes biotehnoloogia bioprotsessides.