Investigating the lipid requirements of wine-related non-Saccharomyces yeast
Date
2022-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Lipids are structural components of the yeast plasma membrane which is a barrier between the intra-
and extracellular environment. The lipid bilayer also contains proteins responsible for transport,
signalling and cell function. Changes in the lipid composition are necessary for yeast to adapt to
unfavourable conditions that occur during alcoholic fermentation. Numerous studies focused on the
lipid metabolism of Saccharomyces cerevisiae exist and previous reports have shown that ergosterol,
oleic and palmitoleic acids enhance fermentation performance, ethanol stress resistance and impact
aroma production. On the other hand, little is known about non- Saccharomyces yeasts. Instead,
previous studies showed that selected non-Saccharomyces yeasts produce lipids different from S.
cerevisiae but the impact of these differences on lipid metabolism and fermentation performance was
not evaluated. The aim of this study was to evaluate the impact of exogenous lipids on fermentation
kinetics, metabolite production and ethanol stress resistance in wine relevant non-Saccharomyces
yeasts.
Protocols focused on fatty acid and sterol extraction are tedious, requiring large sample and
solvent volumes. Furthermore, the analytical methods focused on detecting sterols and fatty acids
on one instrument are limited. Lipid extraction and analysis via Gas Chromatography – Mass
Spectrometry was therefore optimized in yeast cells and synthetic media. The data showed that while
only monounsaturated fatty acids (oleic and palmitoleic acids) were detected in S. cerevisiae
cells, the non-Saccharomyces yeasts in this study accumulated linoleic and linolenic acids in
addition to monounsaturated fatty acids.
The data in this study showed that Metschnikowia pulcherrima, Kluyveromyces marxianus and
Torulaspora delbrueckii are sensitive to the presence of lipids in the extracellular environment.
Indeed, the impact of fatty acid and sterol containing mixtures on fermentation performance was
species-specific. This species-specific response to the different lipid mixtures could be linked to
acetyl-CoA availability and redox balance regulation based on the differences in alpha-
ketoglutarate, acetate, malate and succinate biosynthesis during fermentation.
K. marxianus and M. pulcherrima were found sensitive to ethanol shock with the latter being the
most sensitive. The addition of unsaturated fatty acids did not drastically increase ethanol
tolerance. Instead, K. marxianus and M. pulcherrima were sensitive to ethanol in media supplemented
with polyunsaturated fatty acids indicating that when these compounds (which impact membrane
fluidity) are taken up into the cell, they do not counteract the inhibitory effects of ethanol in
these strains. Furthermore, the presence of unsaturated fatty acids increased lipid droplet
accumulation following ethanol shock, possibly in an effort to reduce the toxic effects of these
compounds on the cell during ethanol stress.
Overall, this study showed that M. pulcherrima, K. marxianus as well as T. delbrueckii require
specific lipid combinations for an increase in fermentation rate. Furthermore, the species-specific
response to lipid mixtures may be due to differences in the lipid composition, acetyl-CoA
metabolism and redox balance. Moreover, this study showed that the presence of
polyunsaturated fatty acids during ethanol shock may be detrimental for selected non- Saccharomyces
yeasts. Specific lipid mixtures and oxygen sparging could be suggested to winemakers interested in
increasing non-Saccharomyces yeast persistence during alcoholic
fermentation and ultimately the metabolic footprint as well as quality of wine.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lipiede is strukturele onderdele van die gisplasmamembraan, wat as ’n versperring tussen die intra- en ekstrasellulêre omgewing dien. Die lipieddubbellaag bevat ook proteïene, wat vir vervoer, seinoordrag en selfunksie verantwoordelik is. Veranderinge in die lipiedsamestelling is nodig sodat gis kan aanpas by ongunstige omstandighede wat gedurende alkoholfermentasie ontstaan. Verskeie studies het al op die lipiedmetabolisme van Saccharomyces cerevisiae gekonsentreer, en vorige verslae het getoon dat ergosterol en oleïen- en palmitoleïensuur fermentasieprestasie en etanolstresweerstand verhoog en aromaproduksie beïnvloed. Daarteenoor is daar weinig bekend oor nie-Saccharomyces-gissoorte. Vorige studies het daarop gedui dat sekere nie-Saccharomyces-gissoorte ander lipiede as S. cerevisiae produseer, maar het nagelaat om die impak van hierdie verskille op lipiedmetabolisme en fermentasieprestasie te beoordeel. Die doel van hierdie studie is dus om die impak van eksogene lipiede op fermentasiekinetika, metabolietproduksie en etanolstresweerstand in wynrelevante nie- Saccharomyces-gissoorte te bepaal. Protokolle oor vetsuur- en sterol-ekstraksie is omslagtig en vereis groot steekproef- en oplosmiddelvolumes. Daarbenewens is die beskikbare ontledingsmetodes vir die opsporing van sterole en vetsure met een instrument bra beperk. Lipied-ekstraksie en -ontleding deur middel van gaschromatografie–massaspektrometrie is dus in gisselle en sintetiese media geoptimaliseer. Die data toon dat hoewel slegs mono-onversadigde vetsure (oleïen- en palmitoleïensuur) in S. cerevisiae-selle opgespoor is, daar benewens mono-onversadigde vetsure ook ’n ophoping van linoleïen- en linoleensuur in die nie-Saccharomyces-gissoorte in hierdie studie was. Die studiedata toon voorts dat Metschnikowia pulcherrima, Kluyveromyces marxianus en Torulaspora delbrueckii gevoelig is vir die aanwesigheid van lipiede in die ekstrasellulêre omgewing. Die impak van vetsuur- en sterolhoudende mengsels op fermentasieprestasie blyk weliswaar spesiespesifiek te wees. Hierdie spesiespesifieke reaksie op die verskillende lipiedmengsels kan verband hou met asetiel-KoA-beskikbaarheid en redoksbalansregulering op grond van die verskille in alfa-ketoglutaraat-, asetaat-, malaat- en suksinaatbiosintese gedurende fermentasie. K. marxianus en M. pulcherrima blyk gevoelig te wees vir etanolskok – laasgenoemde is die gevoeligste. Die byvoeging van onversadigde vetsure het nie ’n drastiese toename in etanoltoleransie tot gevolg nie. In plaas daarvan, is K. marxianus en M. pulcherrima gevoelig vir etanol in media wat met poli-onversadigde vetsure aangevul is, wat daarop dui dat wanneer hierdie verbindings (wat membraanvloeibaarheid beïnvloed) in die sel opgeneem word, dit nie die stremmende uitwerking van etanol in dié stamme teenwerk nie. Die aanwesigheid van onversadigde vetsure verhoog boonop die ophoping van lipieddruppeltjies ná etanolskok, moontlik in ’n poging om die toksiese uitwerking van hierdie verbindings op die sel gedurende etanolstres te verlaag. In die algemeen toon hierdie studie dat M. pulcherrima, K. marxianus en T. delbrueckii bepaalde lipiedkombinasies vereis om fermentasietempo te verhoog. Daarbenewens kan die spesiespesifieke reaksie op lipiedmengsels aan verskille in die lipiedsamestelling, asetiel-KoA- metabolisme en redoksbalans toegeskryf word. Die studie toon voorts dat die aanwesigheid van poli-onversadigde vetsure gedurende etanolskok nadelig kan wees vir sekere nie- Saccharomyces-gissoorte. Bepaalde lipiedmengsels en suurstofdeurborreling kan aanbeveel word vir wynmakers wat die blywendheid van nie-Saccharomyces-gis gedurende alkoholfermentasie, en uiteindelik ook die metaboliese voetspoor en wyngehalte, wil verhoog.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lipiede is strukturele onderdele van die gisplasmamembraan, wat as ’n versperring tussen die intra- en ekstrasellulêre omgewing dien. Die lipieddubbellaag bevat ook proteïene, wat vir vervoer, seinoordrag en selfunksie verantwoordelik is. Veranderinge in die lipiedsamestelling is nodig sodat gis kan aanpas by ongunstige omstandighede wat gedurende alkoholfermentasie ontstaan. Verskeie studies het al op die lipiedmetabolisme van Saccharomyces cerevisiae gekonsentreer, en vorige verslae het getoon dat ergosterol en oleïen- en palmitoleïensuur fermentasieprestasie en etanolstresweerstand verhoog en aromaproduksie beïnvloed. Daarteenoor is daar weinig bekend oor nie-Saccharomyces-gissoorte. Vorige studies het daarop gedui dat sekere nie-Saccharomyces-gissoorte ander lipiede as S. cerevisiae produseer, maar het nagelaat om die impak van hierdie verskille op lipiedmetabolisme en fermentasieprestasie te beoordeel. Die doel van hierdie studie is dus om die impak van eksogene lipiede op fermentasiekinetika, metabolietproduksie en etanolstresweerstand in wynrelevante nie- Saccharomyces-gissoorte te bepaal. Protokolle oor vetsuur- en sterol-ekstraksie is omslagtig en vereis groot steekproef- en oplosmiddelvolumes. Daarbenewens is die beskikbare ontledingsmetodes vir die opsporing van sterole en vetsure met een instrument bra beperk. Lipied-ekstraksie en -ontleding deur middel van gaschromatografie–massaspektrometrie is dus in gisselle en sintetiese media geoptimaliseer. Die data toon dat hoewel slegs mono-onversadigde vetsure (oleïen- en palmitoleïensuur) in S. cerevisiae-selle opgespoor is, daar benewens mono-onversadigde vetsure ook ’n ophoping van linoleïen- en linoleensuur in die nie-Saccharomyces-gissoorte in hierdie studie was. Die studiedata toon voorts dat Metschnikowia pulcherrima, Kluyveromyces marxianus en Torulaspora delbrueckii gevoelig is vir die aanwesigheid van lipiede in die ekstrasellulêre omgewing. Die impak van vetsuur- en sterolhoudende mengsels op fermentasieprestasie blyk weliswaar spesiespesifiek te wees. Hierdie spesiespesifieke reaksie op die verskillende lipiedmengsels kan verband hou met asetiel-KoA-beskikbaarheid en redoksbalansregulering op grond van die verskille in alfa-ketoglutaraat-, asetaat-, malaat- en suksinaatbiosintese gedurende fermentasie. K. marxianus en M. pulcherrima blyk gevoelig te wees vir etanolskok – laasgenoemde is die gevoeligste. Die byvoeging van onversadigde vetsure het nie ’n drastiese toename in etanoltoleransie tot gevolg nie. In plaas daarvan, is K. marxianus en M. pulcherrima gevoelig vir etanol in media wat met poli-onversadigde vetsure aangevul is, wat daarop dui dat wanneer hierdie verbindings (wat membraanvloeibaarheid beïnvloed) in die sel opgeneem word, dit nie die stremmende uitwerking van etanol in dié stamme teenwerk nie. Die aanwesigheid van onversadigde vetsure verhoog boonop die ophoping van lipieddruppeltjies ná etanolskok, moontlik in ’n poging om die toksiese uitwerking van hierdie verbindings op die sel gedurende etanolstres te verlaag. In die algemeen toon hierdie studie dat M. pulcherrima, K. marxianus en T. delbrueckii bepaalde lipiedkombinasies vereis om fermentasietempo te verhoog. Daarbenewens kan die spesiespesifieke reaksie op lipiedmengsels aan verskille in die lipiedsamestelling, asetiel-KoA- metabolisme en redoksbalans toegeskryf word. Die studie toon voorts dat die aanwesigheid van poli-onversadigde vetsure gedurende etanolskok nadelig kan wees vir sekere nie- Saccharomyces-gissoorte. Bepaalde lipiedmengsels en suurstofdeurborreling kan aanbeveel word vir wynmakers wat die blywendheid van nie-Saccharomyces-gis gedurende alkoholfermentasie, en uiteindelik ook die metaboliese voetspoor en wyngehalte, wil verhoog.
Description
Thesis (PhDAgric)--Stellenbosch University, 2022.