Strain engineering and cultivation optimization of the yeast Yarrowia lipolytica for biotechnological processes

Η ζύμη Yarrowia lipolytica (Y. lipolytica) είναι μία αυστηρώς αερόβια και ελαιογόνος ζύμη, γνωστή για την ικανότητα της να συσσωρεύει ενδοκυτταρικά λιπίδια, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτη ύλη για βιοντίζελ δεύτερης γενιάς. H ενίσχυση της βιοσύνθεσης των λιπιδίων έχει μελετηθεί διεξοδικά εφαρμόζοντας τεχνολογίες γενετικής μηχανικής και διεργασιών, και εντάσσοντας ως υπόστρωμα την ακατέργαστη γλυκερόλη, μία φθηνή πηγή άνθρακα που αποτελεί παραπροϊόν της παραγωγής βιοντίζελ. Ωστόσο, η παραγωγή των λιπιδίων σε μεγάλη κλίμακα απαιτεί περαιτέρω μελέτη για να καταστεί οικονομικά βιώσιμη. Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι να συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση της καλλιέργειας της Y. lipolytica σε υπόστρωμα ακατέργαστης γλυκερόλης, και στην ανάπτυξη της διεργασίας παραγωγής λιπιδίων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε τεχνολογίες γενετικής μηχανικής για την ανάπτυξη νέων βελτιωμένων στελεχών και σε μεθόδους βελτιστοποίησης διεργασιών τόσο για την διεργασία εκχύλισης των λιπιδίων όσο και για τη διεργασία ζύμωσης. Η ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας αναδεικνύει (i) τους μεταβολικούς μηχανισμούς που εμπλέκονται στη βιο-μετατροπή της γλυκερόλης σε λιπίδια, (ii) τις προκλήσεις της κλιμάκωσης μεγέθους της εκχύλισης λιπιδίων και (iii) την επίδραση κρίσιμων παραμέτρων ζύμωσης και μεθόδων λειτουργίας του βιοαντιδραστήρα στην κυτταρική ανάπτυξη και τη λιπογένεση. Με βάση τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή υποδιαιρείται σε τρία μέρη, με γενικό στόχο την αύξηση της παραγωγής της βιομάζας και των λιπιδίων. Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στη δημιουργία νέων εξελιγμένων στελεχών με ανθεκτικότητα σε υψηλές συγκεντρώσεις γλυκερόλης. Η ανάλυση της διαφορικής γονιδιακής έκφρασης των πιο βελτιωμένων στελεχών αποκαλύπτει τους μηχανισμούς προσαρμογής που οδηγούν στο βελτιωμένο φαινότυπο κάθε στελέχους. Το δεύτερο μέρος αποτελείται από τη βελτιστοποίηση της εκχύλισης λιπιδίων σε εργαστηριακή κλίμακα, με αποτέλεσμα έναν βέλτιστο και βιομηχανικά εφαρμόσιμο συνδυασμό παραμέτρων που αναπαράγεται επιτυχώς σε 50-φορές μεγαλύτερη κλίμακα. Στο τρίτο μέρος, μελετάται η διεργασία ζύμωσης σε εργαστηριακό βιοαντιδραστήρα, επιδιώκοντας την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης και την ανάπτυξη της διεργασίας σε βιοαντιδραστήρα μεμβρανών (MBR). Το μαθηματικό μοντέλο μπορεί να προβλέψει ικανοποιητικά την κινητική της ζύμωσης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας του βιοαντιδραστήρα, ενώ η επιτυχής ενσωμάτωση του MBR στη διεργασία, επηρέασε θετικά την κινητική της ζύμωσης (σε συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας). Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι ενθαρρυντικά για την ανάπτυξης της τεχνολογίας MBR στις ζυμώσεις της ζύμης Y. lipolytica.