Characterization and improvement of non-conventional Saccharomyces yeasts to solve new challenges in the wine industry: Application of omics technologies

Las levaduras Saccharomyces participan en procesos fermentativos de valor en la industria alimentaria, como la elaboración de vino. La industria del vino utiliza levaduras seleccionadas para realizar la fermentación del vino de forma controlada y para producir un vino homogéneo. En la actualidad, S. cerevisiae es la especie del género Saccharomyces más utilizada en la industria vitivinícola para llevar a cabo el proceso fermentativo, por ser muy resistente al etanol, compuesto tóxico que se produce durante las fermentaciones. Hoy en día, como consecuencia del cambio climático, los vinos finales contienen niveles de alcohol y pH más altos y una acidez total menor a la esperada, características indeseables en el vino. En el género Saccharomyces existen otras especies con interés enológico, como S. kudriavzevii y S. uvarum, y cepas híbridas entre estas cepas y S. cerevisiae. Estas especies de Saccharomyces están ganando popularidad ya que producen vinos más aromáticos, con menor contenido de etanol y mayor glicerol. Sin embargo, son menos tolerantes al etanol que las cepas de S. cerevisiae. Teniendo en cuenta todo lo anterior, en esta tesis se propuso la caracterización y mejora de diferentes cepas de levadura del género Saccharomyces con el objetivo de mejorar su comportamiento durante el proceso de fermentación del vino para obtener un mejor producto: el vino final. Nos hemos centrado en mejorar la tolerancia al etanol, ya que, como hemos mencionado, la presencia de una alta concentración de alcohol durante los procesos de fermentación es un factor de estrés de alto impacto para las levaduras. Además, hemos hecho hincapié en intentar relacionar el diferente comportamiento de las levaduras al etanol con su composición de membrana y con la respuesta del genoma y transcriptoma de las levaduras, mediante el uso de tecnologías ómicas. Las conclusiones obtenidas durante esta tesis doctoral son varias. Por un lado, se encontró que la tolerancia al etanol es variable entre diferentes cepas de S. cerevisiae y que puede correlacionarse con la composición de la membrana y con la respuesta transcriptómica en presencia de etanol de cada cepa. Por otro lado, se determinó que es posible obtener por hibridación una nueva cepa de levadura que mejora dos parentales con diferentes características de interés, en nuestro caso, alta tolerancia al etanol y buena producción de aromas, glicerol y tolerancia a bajas temperaturas. . A su vez, un híbrido obtenido de esta manera se puede adaptar en presencia de alta concentración de sulfito y concentraciones crecientes de etanol, lo que conduce a la selección de diferentes características genómicas que finalmente otorgan una mayor tolerancia a estos factores de estrés. Finalmente, se determinó que la evolución adaptativa de diferentes especies del género Saccharomyces en un medio etanólico provoca diferentes cambios en sus genomas y en la fluidez de sus membranas, revelando así la presencia de una gran variedad de mecanismos evolutivos que pueden actuar en presencia de etanol.

Saccharomyces yeasts participate in fermentative processes of value in the food industry, such as the production of wine. The wine industry uses selected yeasts to carry out wine fermentation in a controlled manner and to produce a homogeneous wine. At present, S. cerevisiae is the species within the Saccharomyces genus most widely used in the wine industry as starter, because it is very resistant to ethanol, a toxic compound which is produced during fermentations. Nowadays, as a result of climate change, final wines contain higher alcohol and pH levels and a lower total acidity than expected, which are undesirable characteristics in wine. In the Saccharomyces genus there are other species with enological interest, such as S. kudriavzevii and S. uvarum, and hybrids strains between these strains and S. cerevisiae. These Saccharomyces species are gaining popularity as they produce more aromatic wines, with lower ethanol content and higher glycerol. However, they are less ethanol tolerant than S. cerevisiae strains. Taking into account all of the above, in this thesis we proposed the characterization and improvement of different yeast strains of the Saccharomyces genus with the aim of improving their behavior during the wine fermentation process to obtain a better product: the final wine. We have focused on improving ethanol tolerance, since, as we have mentioned, the presence of a high concentration of alcohol during fermentation processes is a high impact stress factor for yeasts. In addition, we have emphasized on trying to relate the different behavior of yeasts to ethanol with their membrane composition and with the genome and transcriptome response of the yeasts, by using omics technologies. The conclusions obtained during this doctoral thesis are several. On the one hand, it was found that ethanol tolerance is variable among different strains of S. cerevisiae and that it can be correlated with the membrane composition and with the transcriptomic response in the presence of ethanol of each strain. On the other hand, it was determined that it is possible to obtain by hybridization a new yeast strain that improves two parents with different characteristics of interest, in our case, high tolerance to ethanol and good production of aromas, glycerol and tolerance to low temperatures. In turn, a hybrid obtained in this way can be adapted in the presence of high sulfite concentration and increasing ethanol concentrations, which leads to the selection of different genomic characteristics that ultimately provide greater tolerance to these stress factors. Finally, it was determined that the adaptive evolution of different species of the genus Saccharomyces in an ethanol media causes different changes in their genomes and in their membrane fluidity, thus revealing the presence of a great variety of evolutionary mechanisms that can act in the presence of ethanol.