Systems biology approach for quantitative analysis of glutathione metabolism in non-conventional yeasts

Abstract

Geleneksel olmayan mayalar (KOM), geleneksel mayalara kıyasla moleküler portföylerinde tipik olarak daha zengin olduklarından, hem uygulamalarda hem de metabolizmanın temel anlayışında endüstriyel biyoteknoloji bağlamında artan ilgi görmektedir. Bununla birlikte, KOM'ların farklı çevresel streslere tepkisi üzerine çalışmalar emekleme aşamasındadır. Özellikle oksidatif ve/veya indirgeyici stres tipik olarak mayanın aerobik hayat döngüsünün kaçınılmaz bir parçası olarak ortaya çıkar. Maya hücreleri oksidatif strese enzimatik (SOD, katalaz, peroksidaz reaksiyonları) ve/veya metabolik (glutatyon veya ürik asit üretim yolları) multi-omik ve karmaşık tepkiler yoluyla yanıt verir. İndirgeyici strese tepki, artan antioksidan seviyelerinden kaynaklanabilir. Her iki stres de tipik olarak hücre içi redoks dengesini bozar. Konvansiyonel olmayan mayaların oksidatif strese nasıl tepki verdiği sorusundan yola çıkarak, bu tez KOM'larda hücre içi amino asitlerin ve glutatyon seviyelerinin nicel araştırmasına odaklanmıştır. Sistem biyolojisi yaklaşımını takiben, literatürden alınan transkriptom verilerinin yanı sıra fermantasyon profilleri, fluksom ve hedeflenen metabolom hakkında oluşturulan veriler, geleneksel ve geleneksel olmayan mayalar için hem oksidatif hem de indirgeyici streslere yanıt olarak toplu olarak dikkate alınmıştır.Bu çalışma ile düşük amino asit konsantrasyonlarında organizmalar arasında bir tutarsızlık olduğu saptanmıştır. Ayrıca, her iki maya için de amino asit seviyeleri 150L ölçeğinde 3L ölçeğine göre 3-5 kat daha düşüktür. Oksidatif stres, her iki mayada da kısa vadede amino asit seviyelerinde farklı tepkiye neden olmuştur. S. cerevisiae'da kemostatta 5 mM H2O2 ile indüklenen oksidatif stres ile glutatyon seviyeleri artmıştır. Bu tezde, partiden partiye, numuneden numuneye ve enjeksiyondan enjeksiyona varyansları karşılaştırarak, hedeflenen kantitatif metabolomik yaklaşımın başarıyla uygulandığı sonucuna varılabilir. Son olarak, yüksek GSH üreten maya türleri, klasik UV-mutajenez yaklaşımıyla elde edilmiştir. Bu suşlar, doğal suşa kıyasla GSH içeriğinde yüzde 50'ye varan bir artışa sahiptir. Bu tezde elde edilen sonuçlar, bu mayaların oksidatif veya redüktif strese karşı farklı tepkilerine ışık tutmaktadır.

Non-conventional yeasts (NCY) attract increasing attention in industrial biotechnology context both in applications and fundamental understanding of the metabolism as they are typically richer in their molecular portfolio in comparison to conventional yeasts. Nevertheless, studies on the response of NCYs to different environmental stresses are in their infancy. In particular, oxidative and/or reductive stress typically arise as an inevitable part of the yeast's aerobic style. Yeast cells respond to oxidative stress via enzymatic (SOD, catalase, peroxidase reactions) and/or metabolic (glutathione or uric acid production pathways) through multi-omics and complex responses. Response to reductive stress, in turn, may result from increased antioxidant levels. Both typically disturb the intracellular redox balance. Departing from the question of how non-conventional yeasts respond to oxidative stress, this thesis focuses on the quantitative investigation of intracellular amino acids and glutathione levels in the NCYs. Following the systems biology approach, the generated data on fermentation profiles, fluxome, and targeted metabolome, as well as transcriptome data from literature, are collectively taken into account in response to both oxidative and reductive stresses for conventional and the non-conventional yeasts.There was a discrepancy between organisms at low concentrations of amino acids. Furthermore, the amino acid levels are lower in the 150L scale by a factor of 3-5 for both yeasts. Oxidative stress induces a different short-term response in amino acid levels in both yeasts cultivated in a chemostat. The glutathione levels increased with 5 mM of H2O2-induced oxidative stress at the chemostat in S. cerevisiae. The results obtained in this study shed light on the different responses of these yeasts to hydrogen peroxide-induced oxidative stress. Comparing batch to batch, sample to sample, and injection to injection variances, it can be concluded that the targeted quantitative metabolomics approach was successfully applied in this thesis. Finally, yeast strains overproducing GSH are obtained via the classical UV-mutagenesis approach. These strains have up to a 50 percent increase in GSH content compared to the wild-type strain.