Effects of polyploidization during adaptive evolution in yeasts (PloidYeast)

Kan du forestille deg en verden der favorittmaten din - fra brød til øl, ost og vin - ikke bare er deilig, men også bedre for planeten? Dette høres kanskje ut som science-fiction, men vi jobber med en liten helt som kan gjøre det til virkelighet: gjær. Vi elsker mat, og vi produserer mer av den enn noen gang, men måten vi lager mat på, er en stor belastning for jorden. Klimaendringer, ødelagte levesteder og andre menneskelige aktiviteter truer vår evne til å forsyne alle på en bærekraftig måte. FN har satt seg ambisiøse mål for å endre dette, og overraskende nok kan mange av de løsningene komme fra gjær. . Gjær er mer enn bare magien som får deigen til å heve seg. I gjærceller finnes det et naturlig system som fungerer som en liten fabrikk, som effektivt omgjør plantebaserte råvarer til ulike produkter vi bruker i matproduksjon. Men gjæren vi bruker i dag, har sine begrensninger. Det er her monstergjæren, eller «Frankenyeast» kommer inn i bildet - en ny gjærrase som er utviklet for å gjøre matproduksjonen mer bærekraftig. Forskere har oppdaget at noen gjærsorter kan øke hele genomet sitt, eller med andre ord å øke antallet av gene sine. Dette trikset, kalt polyploidisering, er velkjent fra planteverden, og mange plantearter ville ikke eksistert is sin nåværende næringsrike form uten bevisst menneskelig innsats over århundrer med å bruke «polyploidisering» i vår fordel. Det er som en innebygd superkraft som hjelper organismer med å tilpasse seg tøffe forhold. Ved å utnytte denne kraften kan forskerne skape gjær som trives i den krevende verdenen av industriell matproduksjon. Teamet vårt skal kombinere åtte ulike gjærarter for å skape nye hybrider med superkrefter. Deretter vil vi utfordre disse gjærene til å overleve og trives under fire industrielt relevante forhold. Ved hjelp av banebrytende genteknologi og dataanalyse velger vi ut den sterkeste gjærpopulasjonen, og vi utforsker de nye egenskapene deres. Gjær har potensial til å omdanne matavfall til mat av høykvalitets og dermed redusere matsvinn. Gjær kan også utvikles til å arbeide effektivt med minimale ressurser, slik at matproduksjonens miljøavtrykk blir mindre. Dette kan være en avgjørende for å møte FNs bærekraftsmål. Det var ikke lett å skape «Frankengjærene». Teamet vårt møtte utfordringer som gjærsoppens stressreaksjoner, noe som bremset fremdriften. Men med vår tverrfaglige tilnærming overvant vi noen av disse hindringene og utviklet en ny samling med 32 unike stammer, 168 autotetraploider og 14 autotetraploider fra 8 arter. Det er fortsatt noen utfordringer i «Frankenyeast»-prosjektet, men det er et kapittel for fremtiden. På denne måten har gjær potensialet til å bli en mektig alliert i kampen for bærekraftig mat. Ved å utnytte gjærens naturlige krefter og gi dem et genetisk løft kan vi bidra til å skape en matfremtid som er bedre for både mennesker og planeten.

Polyploidization is a recurrent evolutionary phenomenon that generates diversity and facilitates adaptation. The food production chain requires new industrial strains, more efficient or with innovative solutions to particular problems. Synthetic biology tools can introduce biological parts for improving industrial strains. However, some of those parts are still unknown. Industrially relevant yeasts are polyploids suggesting polyploidization as a mechanism to generate new industrial strains. Allopolyploids can combine multiple parental traits. But, the effects of polyploidization are not well understood. In PloidYeast, we will apply a multidisciplinary approach combining microbiology, molecular and genetic engineering methods, bioinformatics and mathematical modelling to generate a new generation of industrial strains with application in the food production chain and advance in our understanding of adaptation by polyploidization. First, we will ask whether polyploidization mechanism is a suitable mechanism to improve bioprocesses (Q1). We selected wild yeast species (WP1) to generate auto- and allopolyploids (WP2). We will test whether multi-species allopolyploids show multiple traits (Hypothesis: H1). Then, we will evolve the new polyploids on environments mimicking three industrial conditions (WP3) expecting adaptation to them (H2). After 500 generations of evolution, we will ask whether the effects of polyploidization are repeated (Q2) by sequencing the genomes, transcriptomes and quantifying their proteome, metabolome and other phenotypic traits (WP4). If Q2 is true, we will isolate genomic regions relevant to solve a biotechnological challenge (H3). We envision to use this new multiomic dataset to build the bases of a new generation of mathematical models applied to yeast polyploids to select wild strains (H4) and isolate biological parts contributing to solutions for sustainability of food systems and promotion of circular bioeconomy.