Proteomic and metabolomic study of wine yeasts in free and immobilized formats, subjected to different stress conditions

Abstract

The aroma of wine is the first sensory perception that affects its quality. The knowledge acquired to date ensures that the unique aroma of a specific wine is the result of the sensation that in our sense of smell cause the molecules of more than 800 volatile compounds present in the hydroalcoholic solution that is the wine.These compounds come from the grapes, the prefermentative treatments, the alcoholic fermentation and the aging or preservation of the wine. It is a proven fact that fermentative yeasts exert an important influence on the aroma of wine, because they excrete odorant molecules to the medium which are products of their metabolism. Winemaking is a highly-skilled biotechnological process where a large number of commercial strains of Saccharomyces and non-Saccharomyces yeasts have been selected for their ethanol and/or flavour compounds production and comerciallized. During winemaking, yeast cells undergo different stress conditions, including high osmotic pressure induced by sugar content, increased concentration of ethanol, reactive oxygen species (ROS) derived from oxygen metabolism and high temperature. Yeasts cope with these conditions by adapting their response of their biological information system (genometranscriptome- proteome-metabolome) in order to prevent induced cell dysfunctions and to acquire stress tolerances. On the other hand, it has been verified that the immobilized yeasts present better behavior than the free yeasts against certain stress conditions. An example is the formation of flor velum biofilm by some strains of Saccharomyces cerevisiae to tolerate elevated contents in ethanol. The response of yeast S. cerevisiae to stress conditions has been studied fundamentally from the genomics and transcriptomics point of view. Studies on the production of ethanol and volatile compounds related to aroma and sensorial quality of wine are also numerous. However, the proteome of yeasts under different stress conditions and their relationship with volatile metabolites excreted in the medium is a line of research little explored until the present moment. The wine industry needs yeasts that are better adapted to grow under different stress conditions because of its interest in the elaboration of new types of wine according to the consumer preferences. Elucidating the proteomic response of yeasts to different stress conditions and knowing how this response affects the aroma-related metabolites are highly important for the selection and genetic improvement of yeast strains used in the alcoholic fermentation industries in general and wine in particular.

El aroma del vino es la primera percepción sensorial que afecta a su calidad. Los conocimientos adquiridos hasta la fecha permiten asegurar que el aroma único de un vino es el resultado de la sensación que provocan en nuestro sentido del olfato las moléculas de más de 800 compuestos volátiles presentes en la disolución hidroalcohólica que es el vino. Estos compuestos proceden de la uva, de los tratamientos prefermentativos, de la fermentación alcohólica y de la crianza o conservación del vino. Es un hecho contrastado que las levaduras fermentativas ejercen una importante influencia sobre el aroma del vino, debido a que excretan al medio moléculas odorantes procedentes de su metabolismo. La elaboración de vino es un proceso biotecnológico altamente tecnificado para el que actualmente existe en el mercado un amplio número de cepas comerciales de levaduras Saccharomyces y no-Saccharomyces, que han sido seleccionadas por su producción de etanol y/o aromas. Durante la elaboración del vino, las células de levadura se someten a diferentes condiciones de estrés, incluyendo la alta presión osmótica inducida por el contenido de azúcar, el aumento de la concentración de etanol, las especies reactivas de oxígeno (ROS) derivadas del metabolismo del oxígeno y la elevada temperatura. Las levaduras hacen frente a estas condiciones adaptando la respuesta de su sistema de información biológica (genoma-transcriptoma-proteomametaboloma) con objeto prevenir las disfunciones celulares inducidas y para adquirir tolerancias de estrés. Por otro lado se ha comprobado que las levaduras inmovilizadas presentan un mejor comportamiento que las levaduras libres frente a determinadas situaciones de estrés, siendo la formacion de velo de flor por algunas cepas de Saccharomyces cerevisiae un ejemplo de tolerancia a elevados contenidos en etanol. La respuesta de las levaduras S. cerevisiae a condiciones de estrés se ha estudiado fundamentalmente desde el punto de vista de la genómica y de la transcriptómica. También son numerosos los estudios sobre la producción de etanol y compuestos volátiles relacionados con el aroma y la calidad sensorial del vino. Sin embargo el proteoma de las levaduras en diferentes condiciones de estrés y su relación con los metabolitos volátiles excretados al medio es una línea de investigación poco explorada hasta el momento actual. La industria vitivinícola necesita levaduras mejor adaptadas para crecer en diferentes condiciones de estrés por el interés en la elaboración de nuevos tipos de vino según la demanda real de los consumidores. Elucidar la respuesta proteómica de las levaduras a diferentes condiciones de estrés y como incide esta respuesta sobre los metabolitos volatiles relacionados con el aroma es de suma importancia para la selección y para la mejora genética de las cepas levaduras utilizadas en las industrias de las fermentaciones alcohólicas en general y del vino en particular.