Comparative genomics and transcriptomics in Saccharomyces

Resumen

Las levaduras del género Saccharomyces (principalmente Saccharomyces cerevisiae) son las responsables de la fermentación alcohólica (Pretorius, 2000). Aunque S. cerevisiae es la especie más frecuente en fermentaciones vínicas, y modelo de estudio (Pretorius, 2000; Serra et al., 2005; Barrio et al., 2006), también pueden estar presentes durante el proceso especies como S. uvarum (Naumov et al., 2002; Rementería et al., 2003; Demuyter et al., 2004), Saccharomyces paradoxus, aislada de viñedos croatas (Redžepovic et al., 2002) o también híbridos naturales entre especies del género Saccharomyces como S. cerevisiae x S. kudriavzevii (González et al., 2006) y S. cerevisiae x S. uvarum (Le Jeune et al., 2007). S. uvarum es una levadura criotolerante y se caracteriza por presentar perfiles de fermentación con mayor velocidad de consumo de fructosa, menor producción de acidez volátil y mayor producción de glicerol, ácido succínico y alcoholes superiores que S. cerevisiae, lo que la convierte en una especie biotecnológicamente interesante para la industria vínica. S. paradoxus tiene la capacidad de degradar parcialmente el ácido málico y además presenta actividad pectinolítica, dos características que normalmente no se encuentran en las levaduras S. cerevisiae. La degradación del ácido málico puede ayudar a la desacidificación biológica del vino, mientras que la actividad pectinolítica puede contribuir a su clarificación y filtrabilidad. S. kudriavzevii, que sólo se ha aislado en ambientes naturales (Naumov et al., 2000; Sampaio y Gonçalves, 2008; Lopes et al., 2010), se ha mostrado como una levadura criotolerante, con una temperatura óptima de crecimiento de 25ºC y un rango de temperatura de crecimiento entre 6 y 32ºC (Arroyo-López et al., 2009; Salvadó et al., 2011). Aunque nunca ha sido aislada en condiciones de fermentación, sus híbridos (S. cerevisiae x S. kudriavzevii) se han encontrado en procesos industriales. Las cepas de interés biotecnológico son organismos altamente especializados que han evolucionado bajo condiciones ambientales rigurosas en diferentes ambientes creados por los seres humanos. Por lo tanto, la variabilidad fisiológica y genética de las levaduras aisladas de diferentes procesos, está asociada a diferencias en el origen geográfico y en las condiciones de fermentación (temperatura, pH o fuentes de nitrógeno). La composición de azúcares (glucosa, fructosa, maltosa, sacarosa) es extremadamente variable en la naturaleza y tiene consecuencias significativas sobre la adaptación de las levaduras fermentativas (Querol et al., 2003; Barrio et al., 2006). Se han encontrado diferencias fisiológicas a nivel molecular, lo cual se ha correlacionado con su origen y fuentes de aislamiento (Fay et al., 2005; Liti et al., 2009). La diversidad fisiológica y genética han sido bien estudiadas en levaduras asociadas a diferentes procesos industriales como el vino (Querol et al., 1994; Querol et al., 2003; Alba-Lois et al., 2010; Dequin et al., 2011; Schuller et al., 2012; Franco-Duarte et al., 2014) y la cerveza (Alba-Lois et al., 2010). Sin embargo, se sabe muy poco acerca de otras levaduras de fermentaciones tradicionales de Latino América. El estudio de las propiedades biotecnológicas de estas levaduras aisladas de fermentaciones tradicionales, puede ser muy importante ya que puede dar lugar a nuevas estrategias para la mejora de los procesos industriales. Se han llevado a cabo muchos estudios de expresión génica utilizando microarrays de ADN en cepas de S. cerevisiae para entender mejor los procesos de elaboración del vino (Rossignol et al., 2003; Varela et al., 2005), u otros aspectos como la influencia de la temperatura (Beltrán et al, 2006; Pizarro et al., 2008), el crecimiento o la producción de aroma (Rossouw et al., 2008), la respuesta a estrés (Marks et al, 2008; Erasmus et al., 2003), o la respuesta al agotamiento de nitrógeno (Backhus et al., 2001). Esta técnica también se ha empleado en estudios de expresión en otras levaduras del género Saccharomyces como S. kudriavzevii y S. uvarum, para conocer los mecanismos de adaptación a bajas temperaturas de fermentación (Tronchoni et al., 2014), entender las diferencias en cuanto a la síntesis de aromas (Gamero et al., 2014, 2015) y estudiar los perfiles de expresión de los híbridos entre estas especies (Combina et al., 2012; Gamero et al., 2015). Aunque los microarrays son una tecnología de gran alcance y relativamente barata, tiene varias limitaciones. Una de las más importantes es que los arrays se construyen con el genoma de la cepa de laboratorio S. cerevisiae S288c, y el estudio de la expresión de levaduras con diferencias en su composición genómica podría generar información parcial sobre la expresión génica. Actualmente, y gracias a los avances en las técnicas de secuenciación del ADN, a través de tecnologías de nueva generación, NGS (del inglés Next Generation Sequencing), se han revolucionado campos como los de la genómica y la transcriptómica. Estas tecnologías están permitiendo no solo generar información con altos rendimientos, sino también abrir nuevos horizontes para el entendimiento detallado y global de procesos de expresión génica. La caracterización completa y el análisis global de la expresión génica, aun sin ninguna información genómica previa, es ahora posible a través de la secuenciación directa del ARN, tecnología conocida como RNA-seq (Wang et al., 2009; Garber et al., 2011; Egan et al., 2012; Ward et al., 2012). Esta herramienta transcriptómica cambia la manera de cómo se analizan y comprenden los transcriptomas (Wang et al., 2009). La información obtenida es de gran utilidad para vislumbrar procesos metabólicos y mecanismos de adaptación a las condiciones ambientales a las que se exponen las levaduras. Un aspecto importante de la fisiología de las levaduras está relacionado con el control de la expresión génica. Las diferencias genéticas y los cambios en la estabilidad genómica de las levaduras pueden afectar los procesos fermentativos. Por lo tanto, es importante estudiar los cambios en el número de copias de ADN genómico de las cepas, así como los niveles de expresión de sus genes.