VIEW ARTICLE    DOI: 10.1094/ASBCJ-61-0175

Immobilization of Saccharomyces cerevisiae Induces Changes in the Gene Expression Levels of HSP12, SSA3, and ATF1 During Beer Fermentation. H.-Y. Shen (1), N. Moonjai, K. J. Verstrepen, F. Delvaux, and F. R. Delvaux, Centre for Malting and Brewing Science, Faculty of Agricultural and Applied Biological Sciences, Katholieke Universiteit Leuven, Kasteelpark Arenberg 22, 3001 Heverlee, Belgium. (1) Corresponding author. Phone: (+32)-16-321460; Fax: (+32)-16-321576; E-mail: <Huei-yi.Shen@agr.kuleuven.ac.be> J. Am. Soc. Brew. Chem. 61(4):175-181, 2003. Accepted May 20, 2003.

Yeast cell immobilization causes changes in several cellular physiological properties, resulting in severely unbalanced flavor profiles of beers produced in immobilized-cell systems. To explore the reasons for the altered production of flavor-active metabolites, such as volatile esters, the transcription rates of several genes were measured in free and immobilized cells. Expression profiles of the stress-related genes HSP12 and SSA3 revealed that cell immobilization exerted certain stresses on the yeast cells, possibly nutrient starvation and osmotic stress. However, yeast cells may also benefit from the protecting effect of the immobilization matrix, since without a protecting matrix, the free cells in the standard free-cell system showed a stronger induction of HSP12, a general stress marker, compared with the immobilized cells. In accordance with the lower stress gene expression levels, the immobilized cells accumulated trehalose as low as 26% of that of the standard free cells. The expression level of ATF1, encoding alcohol acetyl transferase I, was significantly raised in the immobilized cells, resulting in a twofold increase of iso-amyl acetate formation. The activity of ATF1 is regulated by the protein kinases Sch9p and PKA, involved in stress responses and nutrient-sensing signaling pathways. The particular microenvironment created by cell immobilization thus possibly activates the cAMP/PKA/Sch9 pathway, resulting in an induction of ATF1 expression leading to enhanced ester concentrations in the final fermentation product. Keywords: Cell immobilization, Esters, Fusel alcohols, Northern blot, Yeast physiology

La inmovilización de células de levadura causa cambios en varias características fisiológicas celulares, dando por resultado perfiles de sabor severamente desequilibrados en cervezas producidas en sistemas de células inmovilizadas. Para explorar las razones de la producción alterada de metabolitos activos de sabor, tales como ésteres volátiles, los índices de trascripción de varios genes en células libres e inmovilizadas fueron medidos. Los perfiles de expresión de los genes relacionados en tensión HSP12 y SSA3 revelaron que la inmovilización de células ejerció ciertas tensiones en las células de levadura, posiblemente hambre nutriente y tensión osmótica. Sin embargo, las células de levadura también pueden beneficiar del efecto protector de la matriz de inmovilización, puesto que sin matriz de protección, las células libres en el sistema estándar de células libres demostraron una inducción más fuerte de HSP12, un marcador general de tensión, en comparación a las células inmovilizadas. De acuerdo con los niveles más bajos de expresión de gene de tensión, las células inmovilizadas acumularon trehalosa tan baja como el 26% del de las células libres estándares. El nivel de expresión de ATF1, codificación de alcohol acetilo transferase 1, fue perceptiblemente elevado en las células inmovilizadas, dando por resultado un aumento doble en formación de acetato iso-amílico. La actividad de ATF1 es regulada por los kinases de proteína Sch9p y PKA, implicados en respuestas de tensión y señales de rutina de detección de alimento. El microambiente particular creado por la inmovilización de células así posiblemente activa la rutina ACMcP/PCKcA/SCH9, dando por resultado una inducción de expresión ATF1 que conduce concentraciones realzadas de éster en el producto de fermentación final. Palabras claves: Inmovilización de células, Ésteres, Alcoholes fusel, Mancha “Northern”, Fisiología de levadura