ES2238773T3 - Procedimiento para la produccion microbiana de aminoacidos de las familias del aspartato y/o glutamato, y agentes utilizables en el procedimiento. - Google Patents

Procedimiento para la produccion microbiana de aminoacidos de las familias del aspartato y/o glutamato, y agentes utilizables en el procedimiento.

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Abstract

Procedimiento para la producción microbiana de aminoácidos de la familia de los aspartatos y/o glutamatos, en el que se aumenta la actividad de piruvato-carboxilasa mediante modificación genética de la enzima y/o la expresión génica de piruvato-carboxilasa, de un microorganismo productor del correspondiente aminoácido.

Description

Procedimiento para la producción microbiana de aminoácidos de las familias del aspartato y/o glutamato, y agentes utilizables en el procedimiento.
La invención se refiere a un procedimiento para la producción microbiana de aminoácidos de las familias de los aspartatos y/o glutamatos conforme a las reivindicaciones 1 a 17, a genes de piruvato-carboxilasa conformes a las reivindicaciones 18 a 23, a estructuras de genes conformes a la reivindicación 24, a vectores conformes a la reivindicación 25, a células transformadas conformes a las reivindicaciones 26 a 31, así como a utilizaciones conformes a las reivindicaciones 32 a 37.
Los aminoácidos son de gran interés económico, siendo multifacética la utilización de aminoácidos. Así, por ejemplo, se requieren L-lisina así como L-treonina, L-metionina y L-triptofano como aditivos en los piensos, L-glutamato como aditivo en especias, L-isoleucina y L-tirosina en la industria farmacéutica, L-arginina y L-isoleucina como medicamento, o L-glutamato, L-aspartato y L-fenilalanina como sustancias de partida para la síntesis de productos químicos finos o purificados.
Un método preferido para la producción de estos aminoácidos sumamente diversos es su producción biotecnológica por medio de microorganismos, ya que de esta manera se obtiene directamente la forma biológicamente eficaz y ópticamente activa del correspondiente aminoácido, y es posible emplear materias primas simples y económicas. Como microorganismos se utilizan, por ejemplo, Corynebacterium glutamicum y sus relacionados ssp. Flavum y ssp. Lactofermentum (Liebl. et al., Int. J. System. Bacteriol. 1991, 41: 255 a 260), así como Escherichia coli y bacterias relacionadas.
Sin embargo, normalmente estas bacterias producen los aminoácidos solamente en la cantidad necesaria para su desarrollo, por lo que no se forman ni excretan aminoácidos excedentes. El fundamento de esto es que en la célula se controla de múltiples maneras la biosíntesis de los aminoácidos. Como consecuencia de ello, ya se conocen los más diversos procedimientos para aumentar la formación del producto por medio de la desconexión de los mecanismos de control. En estos procesos se aplican, por ejemplo, análogos de aminoácidos, con el fin de desconectar la regulación efectiva de la biosíntesis. Así, por ejemplo, se describe un procedimiento en el que se utilizan cepas de Corynebacterium que son resistentes a análogos de L-tirosina y L-fenilalanina (documentos JP 19037/1976 y 39517/1078). También se han descrito procedimientos en los que se aplican bacterias resistentes con respecto a análogos de L-lisina o también con respecto a análogos de L-treonina, con el fin de superar los mecanismos de control (documentos EP 0 205 849, GB 2 152 509).
Por otra parte, también se conocen microorganismos construidos mediante técnicas de ADN recombinante, en los que también se ha suspendido la regulación de la biosíntesis, para lo cual se clonan y expresan los genes que no codifican las enzimas clave que ya no pueden inhibirse por retroalimentación. Así, por ejemplo, se conoce una bacteria recombinante, productora de L-lisina, con aspartatoquinasa codificada mediante plásmido, resistente a la retroalimentación (documento EP 0 381 527). También se ha descrito una bacteria recombinante, productora de L-fenilalanina, con prefenatodehidrogenasa resistente a la retroalimentación (documentos JP 123475/1986, EP 0 488 424).
Además de ello, se lograron rendimientos acrecentados de aminoácidos se lograron por medio de la sobreexpresión de genes que no codifican enzimas sensibles a la retroalimentación, de la síntesis de aminoácidos. Así, por ejemplo, la formación de lisina se mejora por medio de una síntesis reforzada de la dihidrodipicolinatosintasa (documento EP 0 197 335). De la misma manera, mediante una síntesis reforzada de la treoninadehidratasa, se logra una mejor formación de isoleucina (documento EP 0 436 886).
Otras tentativas de aumentar la producción de aminoácidos están orientadas a una disposición mejorada de los metabolitos celulares primarios del metabolismo central. Así, se sabe que la sobreexpresión de la transcetolasa, lograda mediante técnicas recombinantes, posibilita una formación productiva mejorada de L-triptofano, L-tirosina o L-fenilalanina (documento EP 0 600 463). Además, la reducción de la actividad de fosfonenolpiruvato-carboxilasa en Corynebacterium conduce a una formación mejorada de aminoácidos aromáticos (documento EP 0 331 145), mientras que el aumento de la actividad de fosfoenolpiruvato-carboxilasa en Corynebacterium condujo a una mayor secreción de aminoácidos de la familia de los aspartatos (documento EP 0 358 940).
Durante el desarrollo y, en especial. bajo condiciones de producción de aminoácidos es necesario reabastecer el ciclo de ácidos tricarboxílicos de manera continua y efectiva con Compuestos C_{4}, por ejemplo, oxalacetato, con el fin de reemplazar los productos intermedios que se retiran para la biosíntesis de los aminoácidos. Hasta hace poco se suponía que para estas denominadas funciones anapleróticas en Corynebacterium es responsable la fosfoenolpiruvato-carboxilasa (Kinoshíta, Biology of industrial micro-organisms 1985: 115 a 142, Benjamin/Cummings Publishing Company, Londres; Liebl, The prokaryotes II, 1991: 1157 a 1171, editorial Springer N. Y.; Vallino und Stephanopoulos, Biotechnol Bioeng 1993, 41: 633 a 646). Sin embargo, se ha encontrado que en comparación con las correspondientes cepas de partida crecen mutantes fosfonenolpiruvato-carboxilasa-negativos de la misma manera en todos los medios ensayados (Peters-Wendisch et al., FEMS Microbiology Letters 1993, 112: 269 a 274; Gubler et al, Appl. Microbiol. Biotechnol 1994, 40: 857 a 863). Este resultado mostró que la fosfonenolpiruvato-carboxilasa no es esencial para el desarrollo y que para las reacciones anapleróticas tiene un rol nulo o solamente secundario. Por otra parte, el resultado antes mencionado apuntó a que en Corynebacterium debe haber por lo menos otra enzima responsable de la síntesis de oxalacetato, que es necesaria para el desarrollo. De hecho, hace poco se encontró ciertamente también una actividad de piruvato-carboxilasa en células permeabilizadas de Corynebacterium glutamicum (Peters-Wendisch et al, Microbiology 1997, 143: 1095 a 1103). Esta enzima se inhibe de manera efectiva por medio de AMP, ADP y acetil-coenzima A, y se forma en mayores cantidades en presencia de lactato como fuente de carbono. La existencia de una piruvato-carboxilasa en Corynebacterium glutamicum también se detectó o confirmó por otro grupo de trabajo independiente, por espectroscopía de ^{13}C-RMN y GS-MS (Park et al. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1997, 47: 430-440). Ya que era necesario partir de la premisa que esta enzima es responsable en primer lugar del reabastecimiento de los ciclos de ácido tricarboxílico durante el desarrollo, cabía esperar que un aumento de la expresión génica, o de la actividad enzimática no conduciría a ningún aumento, o a lo sumo a un aumento insignificante, de los aminoácidos pertenecientes a la familia de los aspartatos. Además, se esperaba que un aumento de la expresión génica, o de la actividad enzimática, de la piruvato-carboxilasa tampoco tendría una influencia sobre la producción de aminoácidos de otras familias.
Se encontró ahora con sorpresa que después del aumento de la actividad de piruvato-carboxilasa por modificación genética de la enzima y/o después del aumento de la expresión del gen de piruvato-carboxilasa, aumenta la producción microbiana de aminoácidos de las familias de los aspartatos y/o glutamatos. Se demostró que en especial cepas con un mayor número de copias del gen de piruvato-carboxilasa secretan en el medio de cultivo aproximadamente 50% más de lisina, 40% más de treonina y 150% más de homoserina. Por otra parte, se comprobó, también de manera sorprendente, que también la producción de glutamato aumenta de manera significativa (Véase en especial, el ejemplo de realización en 6. y la Tabla 4).
La modificación genética de la piruvato-carboxilasa para aumentar la actividad enzimática tiene preferiblemente lugar por medio de mutación del gen endógeno. Las mutaciones de este tipo pueden generarse de manera aleatoria sobre la base de métodos clásicos, tal como, por ejemplo, por radiación ultravioleta, o mediante productos químicos que desencadenen mutaciones, o de manera selectiva mediante métodos de tecnología de genes, tales como deleción(es),
inserción(es) y/o intercambio(s) de nucleótidos.
La expresión del gen de piruvato-carboxilasa aumenta por medio del incremento del número de copias del gen y/o mediante el refuerzo de factores reguladores que influyen positivamente sobre la expresión del gen. Así, un refuerzo de elementos reguladores puede preferiblemente tener lugar en el plano de la transcripción, en especial por medio del aumento de las señales de transcripción. Esto puede tener lugar, por ejemplo, aumentando la actividad del promotor mediante la modificación de la secuencia promotora, antepuesta al gen de estructura, o intercambiando el promotor por completo por promotores más eficaces. También puede tener lugar un refuerzo de la transcripción si se influye de manera correspondiente sobre un gen regulador asociado al gen de piruvato-carboxilasa. Por otra parte, mediante mutación de una secuencia génica reguladora puede eventualmente influirse sobre la efectividad de la unión de una proteína reguladora en el ADN del gen de piruvato-carboxilasa que debe regularse, de manera que con ello se refuerce la transcripción y, por lo tanto aumente la expresión del gen. Además, al gen de piruvato-carboxilasa puede también haber asociados los reforzadores como secuencias reguladoras, los cuales, por medio de una interacción mejorada entre ARN-polimerasa y ADN, también determinan una mayor expresión del gen de piruvato-carboxilasa. Sin embargo, además de ello también es posible un refuerzo de la traducción, por ejemplo mejorando la estabilidad del ARN-m.
Para aumentar el número de copias del gen, se incorpora el gen de piruvato-carboxilasa en una construcción génica, o en un vector. La construcción génica contiene, en especial, las secuencias reguladoras asociadas al gen de piruvato-carboxilasa, preferiblemente del tipo que refuerzan la expresión del gen. Para la incorporación del gen de piruvato-carboxilasa en una construcción génica, el gen se aísla preferiblemente a partir de una cepa de microorganismos del género Corynebacterium, y se transforma en una cepa de microorganismos productores de aminoácidos, en especial Corynebacterium, o en Escherichia coli o Serratia marcescens. Para el procedimiento conforme a la invención son especialmente adecuados genes procedentes de C. glutamicum o C. glutamicum ssp. flavum o C. glutamicum ssp. lactofermentum. Después del aislamiento del gen y de la recombinación in-vitro con vectores conocidos (véase, por ejemplo, Simon et al., Bio/Technology 1983, 1: 784 a 791; Eikmanns et al., Gene 1991, 102: 93 a 98), tiene lugar la transformación, por electroporación, en la cepas productoras de aminoácidos, (Liebl et al., FEMS Microbiology Letters 1991, 65: 299 a 304) o por conjugación (Schäfer et al., J Bacteriol. 1990, 172: 1663 a 1666). Como cepas hospedantes se utilizan preferiblemente productores de aminoácidos que están desregulados en la síntesis de los aminoácidos correspondientes y/o presentan una mayor actividad del portador de exportación para el aminoácido correspondiente. Además, se prefieren aquellas cepas que contienen una mayor proporción de metabolitos del metabolismo central del tipo que participan en la síntesis del aminoácido correspondiente, y/o cepas del tipo que contienen una menor proporción de los metabolitos del metabolismo central que no participan en la síntesis del aminoácido correspondiente, en especial de metabolitos que son competentes para reacciones competitivas; es decir se prefieren aquellas cepas en las que la vía de biosíntesis que compite con la vía de síntesis del aminoácido correspondiente, discurre con una actividad disminuida. Así, es adecuada una cepa de microorganismos corineformes, resistente contra el éster \beta-metílico de ácido L-aspártico (EMA), con una reducida actividad de citrato-sintasa (documento EP 0 551 614).
Después del aislamiento pueden obtenerse genes de piruvato-carboxilasa con secuencias de nucleótidos, que codifican la secuencia de aminoácidos indicada como SEQ ID No. 2, o sus variaciones alélicas, o que presentan la secuencia de nucleótidos desde el nucleótido 165 al 3587 conforme a SEQ ID No. 1, o una secuencia de ADN que actúa de manera esencialmente igual. Además, pueden obtenerse genes con un promotor antepuesto a la secuencia de nucleótidos, desde el nucleótido 20 a 109 conforme a SEQ ID No. 1, o una secuencia de ADN que actúa esencialmente de la misma manera. Las variaciones alélicas, o las secuencias de ADN que tienen el mismo efecto, abarcan en especial derivados funcionales que pueden obtenerse por deleción(es), inserción(es) y/o sustituciones de nucleótidos a partir de secuencias correspondientes, manteniéndose o aún elevándose la actividad o función, de la enzima. Estos genes de piruvato-carboxilasa se aplican preferiblemente en el procedimiento conforme a la invención.
Al gen de piruvato-carboxilasa, con o sin promotor antepuesto, o con o sin un gen regulador asociado con él, pueden estar antepuestas y/o dispuestas a continuación, una o varias secuencias de ADN, por lo que el gen se halla contenido en una estructura de genes.
Es preferible que el promotor-tac (gen lacl^{Q}) esté antepuesto al gen de la piruvato-carboxilasa, habiendo en especial secuencias reguladoras asociadas al mismo.
Por clonación del gen de piruvato-carboxilasa es posible obtener plásmidos que contienen el gen y que son adecuados para la transformación de un productor de aminoácidos. Las células que pueden obtenerse mediante transformación, de las que se trata preferiblemente de células transformadas de Corynebacterium, contienen el gen en forma replicable, es decir en forma de copias adicionales en el cromosoma, integrándose las copias del gen por recombinación en lugares arbitrarios del genoma, y/o en un plásmido o vector.
Ejemplo de realización
1. Clonación del gen de piruvato-carboxilasa a partir de Corynebacterium glutamicum
A partir de zonas conservadas de todos los genes de piruvato-carboxilasa (genes pyc) conocidos hasta ahora, de Saccharomyces cerevisiae (J Biol Chem 1988, 263: 11493-11497; Mol Gen Genet 1991, 229: 307-315), ser humano (Biochim Biophys Acta 1994, 1227: 46-52), ratón (Proc Natl Acad Sci, USA 1993, 90: 1766-1770), Aedes aegypti (EMBL-GenBank: Nº de Acceso: L36530), así como de Mycobacterium tubercolosis (EMBL-GenBank: Nº de Acceso: U00024) se sintetizaron cebadores de RCP (MWG Biotech). Los cebadores correspondían a las bases 810 a 831 y 1015 a 1037 del gen pyc de M. tuberculosis. Con estos cebadores y por medio de RCP conforme al método estándar de Innis et al. (PCR protocols: A guide to methods and applicatíons, 1990, Academic Press) para cebadores homólogos no degenerados, fue posible amplificar un fragmento de aproximadamente 200 pb de ADN cromosómico de C. glutamicum ATCC 13032, que se aisló como se describe en Eikmanns et al. (Microbiology 1994, 140: 1817-1828). El tamaño de 200 pb correspondía a lo previsto para genes pyc. El producto de la RCP se secuenció como se describe en Sanger et al. (Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74: 5463-5467). La secuenciación se llevó a cabo con ddNTPs marcados por fluorescencia, por medio de un aparato automático de secuenciación de ADN (Applied Biosystems).
A partir de este fragmento de ADN de C. glutamicum se prepararon los siguientes oligonucleótidos homólogos:
pyc 1 5'- CGTCTTCATCGAAATGAAC-3'
pyc 2 5'- ACGGTGGTGATCCGGCACT-3'
Los oligonucleótidos se utilizaron como cebadores de RCP para aislar una sonda para el gen de piruvato-carboxilasa (pyc) a partir de C. glutamicum. Los cebadores se emplearon en una reacción de RCP con ADN cromosómico de C. glutamicum y nucleótidos marcados con digoxigenina. La reacción se llevó a cabo según las prescripciones del "`PCR DIG Labeling Kits" de la Firma Boehringer Mannheim. Con esta tanda posible amplificar un fragmento de ADN marcado con digoxigenina, que correspondía al tamaño esperado de aproximadamente 200 pb. Seguidamente se aplicó la sonda pyc, así preparada, para identificar por hibridación de transferencia Blot un fragmento de ADN en el ADN cromosómico de C. glutamicum, en el que se halla localizado el gen pyc. Para ello se procedió en cada caso a cortar 2 a 5 \mug de ADN cromosómico de C. glutamicum WT con las enzimas de restricción HindIII, SphI, SaII, Dral, EcoRI y BamHI, y los fragmentos de ADN obtenidos se separaron durante 16 h a 20 V en gel de agarosa al 0,8% por electroforesis en gel, de acuerdo con su tamaño. Los fragmentos de ADN situados en el gel de agarosa se desnaturalizaron según un método de Southern (J Mol Biol 1975, 98: 503-517), se los transfirió bajo soporte de vacío mediante el aparato VacuGene Blot de Pharmacia LKB (Uppsala, Suecia) a partir de la matriz de gel, sobre una membrana de nilón (Nytran N13 de Schleicher und Schüll, Dassel. Suiza), se los inmovilizó, y se detectó el marcaje con digoxigenina mediante conversión de NBT/X-fosfato por medio de fosfatasa alcalina. De esta manera fue posible detectar los siguientes fragmentos cromosómicos que se hibridan con la sonda pyc-ADN: un fragmento HindIII de 17 kb, un fragmento SaII de 6,5 kb y un fragmento EcoRI de 1,35 kb.
El fragmento HIndIII de 17 kb se aisló y clonó. Para ello se utilizó un banco de genes de cósmidos de ADN cromosómico de C. glutamicum en el cósmido pHC79, que representaba en un 99% (Microbiol 1992,6: 317-326) el genoma de C. glutamicum. Se transformó la cepa DH5\alpha de E. coli con este banco de genes por medio del método de CaCl_{2} de Sambrook et al. (Molecular Cloning, A laboratory manual, 1989, Cold Spring Harbour Laboratory Press), y se la extendió sobre placas, a razón de aproximadamente 300 colonias por placa de LB-agar, junto con 50 \mug/l de canamicina (en total 5.000 colonias). Seguidamente los transformados obtenidos se transfirieron a filtros de Nytran N13, y los mismos se incubaron durante 5 min sobre papel Whatmann impregnado con NaOH 0,5 M y NaCl 1,5 M, para la lisis alcalina de las células y la desnaturalización del ADN. La neutralización subsiguiente tuvo lugar con Tris/HCl 1 M pH 7,5 y NaCl 1,5 M. Después de la incubación de los filtros en 2 x SSC se fijó el ADN liberado sobre el filtro por radiación UV a 366 nm. Seguidamente se separaron los residuos celulares por sacudimiento en 3 x SSC SDS al 0,1%, a 50ºC. Los filtros se utilizaron en esta forma para la hibridación con una sonda pyc específica, como se describe en Southern (J Mol Biol 1975, 98: 503-517). Se identificaron 3 transformados que hibridaban contra la sonda pyc. A partir de dichos transformados se aisló el ADN de cósmido mediante preparación de plásmido según el método de la lisis alcalina de Birnboim (Meth Enzymol 1983, 100, 243-255), y seguidamente se lo sometió a ensayo por restricción y análisis de transferencia Southern para establecer la presencia del fragmento HindIII. El cósmido pHC79-10, que contenía un inserto de 40 kb, portaba el fragmento HindIII completo, y fue objeto de un análisis ulterior. Se comprobó que también después de la restricción con las endonucleasas SaII y EcoRI se obtenían los mismos fragmentos hibridantes que en el ADN cromosómico, es decir un fragmento SaII de 6,5 kb y un fragmento EcoRI de 1,35 kb. El fragmento HindIII, de 17 kb, se aisló por medio de restricción con HindIII a partir del cósmido, y se ligó en el vector de E. coli, pUC18, que también se había cortado con HindIII. Se realizó un análisis de restricción del fragmento en el vector pUCpyc resultante. La representación física en mapa se ha representado en la Figura 1.
2.- Secuenciado del gen de piruvato-carboxilasa
En otros pasos de subclonación se aislaron por restricción con las correspondientes enzimas de restricción a partir del plásmido pUCpyc, un fragmento SaII-EcoRI de 0,85 kb, el fragmento EcoRI de 1,35 kb, un fragmento EcoRI-EcoRI-StuI, de 1,6 kb así como un fragmento ClaI de 1,6 kb, que se solapaba parcialmente con el fragmento SaII-EcoRI de 0,85 kb. Mediante ligación se clonaron los fragmentos en el respectivo vector pUC18 restringido correspondiente, y seguidamente se los secuenció según Sanger et al. (Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74: 5463-5467), como anteriormente se describe. Las secuencias de nucleótidos obtenidas se analizaron por medio del paquete de programas HUSAR (Release 3.0) del Deutschen Krebsforschungszentrums (Centro Alemán de Investigaciones Oncológicas) (Heidelberg). El análisis de la secuencia de los fragmentos dio como resultado un marco de lectura abierto continuo de 3576 pb, que codifica una secuencia de proteínas de 1140 aminoácidos. Una comparación de la secuencia de proteínas derivada, con el EMBL Gen-Datenbank (Banco de Datos Génicos de EMBL) (Heidelberg) permitió establecer similitudes con todas las piruvato-carboxilasas conocidas. La identidad más elevada (62%) se encontró con respecto a la piruvato-carboxilasa putativa de Mycobacterium tuberculosis (EMBL GenBank: nº de Acceso U00024). Si se tienen en cuenta los intercambios conservados de aminoácidos, la similitud era de 76%. Una comparación con las piruvato-carboxilasas de otros organismos resultó en 46 a 47% de aminoácidos idénticos y 64 a 65% de aminoácidos similares (Gene 1997, 191: 47-50; J Bacteriol 1996, 178: 5960-5970; Proc Natl Acad Sci USA 1993, 90: 1766-1770; Biochem J 1996,316: 631-637; EMBL-GenBank: nº de Acceso L36530; J Biol Chem 1988,263: 11493-11497; Mol Gen Genet 1991, 229; 307-315). A partir de estos resultados se llegó a la conclusión que el fragmento clonado porta el gen para la piruvato-carboxilasa de C. glutamicum. La secuencia de nucleótidos del gen se indicó como SEQ ID No. 1, y la correspondiente secuencia de aminoácidos, como SEQ ID No. 2,
3.- Sobreexpresión del gen de piruvato-carboxilasa
Para la sobreexpresión del gen para la piruvato-carboxilasa de C. glutamicum se procedió a clonar el gen a partir del plásmido pUCpyc en forma de fragmento SspI-ScaI de 6,2 kb en el vector oscilante de E. coli-C. glutamicum, pEKO (Gene 1991, 102: 93-98), que se había cortado con las endonucleasas de restricción EcoRI y PstI. Mediante el tratamiento de Klenow-polimerasa se completaron (EcoRI) los extremos sobresalientes, o se los digerió (PstI), para obtener extremos lisos o romos, y el vector linearizado se ligó con el fragmento SspI-ScaI de 6,2 kb. La construcción pEK0pyc obtenida se transformó primeramente en la cepa DH5á de E. coli, se aisló el ADN del plásmido sobre el transformado resultante, y se controló la autenticidad del inserto por restricción. A continuación se introdujo el ADN en la cepa SP733 por electroporación (FEMS Microbiol Lett 1989, 65: 299-304). En cuanto a esta cepa, se trata de un mutante de la cepa R127, negativa a la restricción, de C. glutamicum (Dechema Biotechnology Conference 1990, 4 323-327, editorial Chemie) que se había obtenido por mutagénesis química y que se caracteriza porque no puede desarrollarse en un medio mínimo con piruvato y lactato como únicas fuentes de carbono (Microbiology 1997, 143: 1095-1103). Este fenotipo es causado por un defecto en la piruvato-carboxilasa y pudo complementarse mediante la introducción del gen de piruvato-carboxilasa de C. glutamicum; es decir la cepa que porta el plásmido pEK0pyc, estaba nuevamente en condiciones, en contraposición con la cepa de partida, de crecer en un medio mínimo con lactato como única fuente de carbono. Con ello también se aportó la prueba que el gen codifica una piruvato-carboxilasa funcional.
Además de ello, se transformó el plásmido pEK0pyc por electroporación en el C. glutamicum de tipo salvaje, ATCC 13032. La cepa WT resultante (pEK0pyc) se investigó por comparación con el tipo salvaje ATCC 13032, en relación con su actividad de piruvato-carboxilasa. Las cepas se cultivaron en medio complejo (Luria-Bertani, Molecular Cloning, A laboratory manual, 1989, Cold Spring Harbour Laboratory Press) con 0,5% de lactato, y en medio mínimo con 2% de lactato o 4% de glucosa, y se llevó a cabo el ensayo de piruvato-carboxilasa según el método descrito por Peters-Wendisch et al. (Microbiology 1997, 143: 1095-1103). El resultado del análisis (Tabla 1) muestra que la actividad de piruvato-carboxilasa en la cepa portadora de pEKO-pyc es de aproximadamente el cuádruplo de la de la cepa de partida.
4.- Incremento de la acumulación de lisina por sobreexpresión del gen de piruvato-carboxilasa en la cepa DG52-5 de C. glutamicum
Para investigar el efecto de la sobreexpresión del gen para la piruvato-carboxilasa sobre la cepa productora de lisina, DG52-5 (J Gen Microbiol 1988, 134: 3221-3229), se utilizó el vector de expresión pVWEX1, que permite una expresión inducible por IPTG. El gen pyc se introdujo en este vector por clonación, sin promotor. Para ello se sintetizó en primer lugar el cebador de RCP (Cebador 1 = Posición 112-133, Cebador 2 = Posición 373 a 355 en la secuencia de nucleótidos conforme a SEQ ID No. 1), y por RCP se amplificaron 261 pb de la zona inicial, carente de promotor, del gen de piruvato-carboxilasa. Los cebadores se eligieron de manera que el cebador 1 induce un lugar de corte de PstI, y el cebador 2 un lugar de corte de BamHI. Después de la RCP se aisló el producto de RCP de 274 pb, obtenido, se le ligó a concatémeros, y seguidamente se lo cortó con las enzimas de restricción PstI y BamHI. La tanda de restricción se concentró mediante precipitación con etanol, y seguidamente se ligó con el vector pVWEX1 cortado con PstI-BamHI. La construcción pVWEXI-RCP obtenida se sometió a ensayo por restricción. La zona extrema del gen pyc se aisló por tratamiento con RcaI-Klenow-SaII a partir del vector pEK0pyc, y se ligó en el vector pVWEX1-RCP tratado con BamHI-Klenow-SaII. La construcción pVWEXlpyc obtenida se analizó mediante representación en mapa de restricción. Un mapa físico del plásmido se muestra en la Figura 2.
El plásmido se introdujo en la cepa DG52-5 de C. glutamicum mediante electroporación. Como control se transformó la cepa DG52-5 con el vector pVWEX1 sin inserto, y se comparó la secreción de L-lisina con sendos tres transformandos distintos. Para ello se cultivaron DG52-5(pVWEX1)1, 2 y 3, así como DG52-5(pVWEXlpyc) 3, 4 y 6 en medio complejo (2xTY; Molecular Cloning, A laboratory manual. 1989.Cold Spring Harbour Laboratory Press; con 50 \mug/l de canamicina), y el medio de fermentación, CGXII (J Bacteriol 1993, 175: 5595-5603) se inoculó en cada caso por separado a partir de los cultivos preliminares. El medio contenía adicionalmente canamicina, para mantener los plásmidos estables. Se implementaron en cada caso dos tandas paralelas; en uno de los matraces se añadieron 200 \mug de ITPG/ml, mientras que el segundo matraz no contenía IPTG. Después de cultivo durante 48 horas a 30ºC en el sacudidor giratorio a 120 rpm, se determinó la cantidad de lisina acumulada en el medio. La determinación de la concentración de aminoácidos tuvo lugar mediante cromatografía de líquidos a alta presión (J Chromat 1983, 266: 471-482). El resultado de la fermentación se ha representado en la Tabla 2, en la que los valores indicados representan valores medios de en cada caso tres experimentos con diferentes clones. Se demostró que la sobreexpresión del gen de piruvato-carboxilasa conduce a un incremento del 50% de la acumulación de lisina en el medio. Por lo tanto, la utilización del gen descubierto y descrito para la enzima anaplerótica piruvato-carboxilasa, representa un procedimiento para mejorar de manera decisiva la formación de L-lisina.
5.- Incremento de la acumulación de treonina y homoserina por sobreexpresión del gen de piruvato-carboxilasa en la cepa DM368-3 de C. glutamicum
De manera análoga a los experimentos para la formación de L-lisina se investigó también la acumulación de treonina en el sobrenadante del cultivo mediante la sobreexpresión del gen para la piruvato-carboxilasa. Para ello se procedió, tal como se describe en el punto 4, a transformar la cepa DM368-3 de C. glutamicum (Degussa AG) productora de treonina con el plásmido pVWEX1pyc, así como, para control, con el plásmido pVWEX1, y se investigó la secreción de treonina, de en cada caso tres transformados distintos. Para ello se cultivaron DM368-3(pVWEXI)1, 2 y 3, así como DM368-3(pVWEXIpyc)1, 2 y 3 en medio complejo (2xTY con 50 \mug/l de canamicina), y el medio de fermentación CGXII (J Bacteriol 1993, 175: 5595-5603) se inoculó en cada caso a partir de los cultivos preliminares. El medio contenía adicionalmente canamicina, para mantener estables los plásmidos. Se implementaron dos tandas paralelas, en uno de los matraces se añadieron 200 \mug de ITPG/ml, mientras que el segundo matraz no contenía IPTG. Después de cultivo durante 48 horas a 30ºC en el sacudidor giratorio a 120 rpm, se determinó la cantidad de treonina acumulada en el medio. La determinación de la concentración de aminoácidos también tuvo lugar por cromatografía de líquidos a alta presión (J Chromat 1983, 266: 471-482). El resultado de la fermentación se ha representado en la Tabla 3, en la que los valores indicados representan valores medios de en cada caso tres experimentos con clones distintos. Se demostró que la sobreexpresión del gen de piruvato-carboxilasa conduce a un incremento de aproximadamente 40% de la concentración de treonina en el medio. Por lo tanto, la utilización del gen descubierto y descrito para la enzima anaplerótica piruvato-carboxilasa, representa un procedimiento para mejorar de manera decisiva la formación de L-treonina.
Por otra parte, la determinación de la concentración de los aminoácidos demostró de manera sorprendente que la cepa con gen de piruvato-carboxilasa sobreexpresado secreta además aproximadamente 150% más de homoserina en el medio que la cepa con gen no sobreexpresado. Los resultados correspondientes también se han representado en la Tabla 3. Ponen de manifiesto que el procedimiento conforme a la invención puede mejorar decisivamente la formación tanto de treonina como de homoserina.
6.- Incremento de la acumulación de glutamato mediante sobreexpresión del gen para la piruvato-carboxilasa en el Tipo Salvaje de C. glutamicum
De manera análoga a los experimentos para la formación de L-lisina, L-treonina y L-homoserina (véanse los puntos 4 y 5 anteriores), se investigó también la acumulación de glutamato en el sobrenadante del cultivo, por medio de la sobreexpresión del gen para la piruvato-carboxilasa. Para ello se procedió, tal como se describe en el punto 4, a transformar el Tipo Salvaje de C. glutamicum, ATCC 13032, con el plásmido pVWEX1pyc, así como, para control, con el plásmido pVWEX1, y se investigó la secreción de glutamato, a partir de en cada caso dos transformandos distintos. Para ello se cultivaron C. glutamicum ATCC 13032 (pVWEXIpyc)D1 y D2, así como C. glutamicum ATCC 13032 (pVWEXIpyc)1 y 2, en medio complejo (2xTY con 50 \mug/l de canamicina), y el medio de fermentación CGXII (J Bacteriol 1993, 175: 5595-5603) se inoculó en cada caso por separado a partir de los cultivos preliminares. El medio contenía adicionalmente canamicina, con el fin de mantener estables los plásmidos. Para la inducción de la secreción de glutamato se añadieron al medio aproximadamente 6 horas después de la inoculación, 25 mg de Tween 60 por ml. Se implementaron dos tandas paralelas; en uno de los matraces se añadieron 200 \mug de ITPG/ml, mientras que el segundo matraz no contenía IPTG. Después de cultivo durante 48 horas a 30ºC en el sacudidor giratorio a 120 rpm, se determinó la cantidad de glutamato acumulada en el medio. La determinación de la concentración de aminoácidos también tuvo lugar mediante cromatografía de líquidos a alta presión (J Chromat 1983, 266: 471-482). El resultado de la fermentación se presenta en la Tabla 4, en la que los valores indicados representan valores medios de en cada caso dos experimentos con distintos clones. Se demostró que la sobreexpresión del gen de la piruvato-carboxilasa conduce a un incremento de hasta 500% de la acumulación de glutamato en el medio. Por lo tanto, la utilización del gen descubierto y descrito para la enzima anaplerótica piruvato-carboxilasa, ofrece un procedimiento para mejorar de manera decisiva la formación de L-glutamato.
TABLA 1
1
TABLA 2
2
TABLA 3
3
TABLA 4
15
(1) DATOS GENERALES
\vskip0.800000\baselineskip
(i)
SOLICITANTE:
\vskip0.500000\baselineskip
(A)
NOMBRE: Forschunqstentrum Juelich GmbH
\vskip0.500000\baselineskip
(B)
CALLE: Postfach 1913
\vskip0.500000\baselineskip
(C)
LOCALIDAD: Juelich
\vskip0.500000\baselineskip
(D)
PAÍS: ALEMANIA
\vskip0.500000\baselineskip
(E)
CÓDIGO POSTAL: 52425
\vskip0.800000\baselineskip
(ii)
DESIGNACIÓN DE LA INVENCIÓN: Piruvato Carboxilasa
\vskip0.800000\baselineskip
(iii)
NÚMERO DE SECUENCIAS: 2
\vskip0.800000\baselineskip
(iv)
VERSIÓN LEGIBLE POR ORDENADOR:
\vskip0.500000\baselineskip
(A)
Soporte de Datos: Floppy Disk
\vskip0.500000\baselineskip
(B)
Ordenador: IBM PC Compatible
\vskip0.500000\baselineskip
(C)
Sistema Operativo: PC-DOS/MS-DOS
\vskip0.500000\baselineskip
(D)
Software: PatentIn Release #1.0, Versión #1.30 (EPA)
\vskip1.000000\baselineskip
(2) DATOS PARA SEQ ID NO: 1
\vskip0.800000\baselineskip
(i)
CARCTERÍSTICAS DE LA SECUENCIA:
\vskip0.500000\baselineskip
(A)
LONGITUD: 3728 pares de bases
\vskip0.500000\baselineskip
(B)
TIPO: nucleótido
\vskip0.500000\baselineskip
(C)
FORMA DE CADENA: cadena sencilla
\vskip0.500000\baselineskip
(D)
TOPOLOGÍA: lineal
\vskip0.800000\baselineskip
(ii)
TIPO DE MOLÉCULA: ADN del genoma
\vskip0.800000\baselineskip
(xi)
DESCRIPCIÓN DE LA SECUENCIA: SEQ ID NO:1
\vskip1.000000\baselineskip
4
5
6
7
\vskip1.000000\baselineskip
(2) DATOS PARA SEQ ID NO: 2:
\vskip0.800000\baselineskip
(i)
CARCTERÍSTICAS DE LA SECUENCIA:
\vskip0.500000\baselineskip
(A)
LONGITUD: 1140 aminoácidos
\vskip0.500000\baselineskip
(B)
TIPO: aminoácido
\vskip0.500000\baselineskip
(C)
FORMA DE CADENA: cadena sencilla
\vskip0.500000\baselineskip
(D)
TOPOLOGÍA: lineal
\vskip0.800000\baselineskip
(ii)
TIPO DE MOLÉCULA: proteína
\vskip0.800000\baselineskip
(xi)
DESCRIPCIÓN DE LA SECUENCIA: SEQ ID NO:2:
\vskip1.000000\baselineskip
8
9
10
11
12

Claims (37)

1. Procedimiento para la producción microbiana de aminoácidos de la familia de los aspartatos y/o glutamatos, en el que se aumenta la actividad de piruvato-carboxilasa mediante modificación genética de la enzima y/o la expresión génica de piruvato-carboxilasa, de un microorganismo productor del correspondiente aminoácido.
2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque se genera una enzima con una elevada actividad de piruvato-carboxilasa mediante mutación del gen endógeno de piruvato-carboxilasa.
3. Procedimiento conforme a la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se aumenta la expresión génica de la piruvato-carboxilasa mediante el aumento del número de copias del gen.
4. Procedimiento conforme a la reivindicación 3, caracterizado porque para aumentar el número de copias del gen se incorpora el gen de piruvato-carboxilasa en una construcción génica.
5. Procedimiento conforme a la reivindicación 4, caracterizado porque el gen se incorpora en una construcción génica que contiene secuencias génicas reguladoras asociadas al gen de piruvato-carboxilasa.
6. Procedimiento conforme a la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque se transforma un microorganismo productor del aminoácido correspondiente, con la construcción génica que contiene el gen.
7. Procedimiento conforme a la reivindicación 6, caracterizado porque se transforma un microorganismo del género Corynebacterium, con la construcción génico que contiene el gen.
8. Procedimiento conforme a la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque para la transformación se emplea un microorganismo, en el que las enzimas que participan en la síntesis del aminoácido correspondiente están desreguladas y/o presentan una mayor actividad del portador de exportación para el aminoácido correspondiente.
9. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque para la transformación se emplea un microorganismo que contiene una mayor proporción de metabolitos del metabolismo central que participan en la síntesis del aminoácido correspondiente.
10. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque para la transformación se emplea un microorganismo en el que una vía de biosíntesis que compite con la vía de biosíntesis de aminoácidos correspondiente, discurre con una actividad disminuida.
11. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gen de piruvato-carboxilasa se aísla a partir de una cepa de microorganismos del género Corynebacterium.
12. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se aumenta la expresión del gen mediante el refuerzo de las señales de transcripción.
13. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el promotor tac se antepone al gen de piruvato-carboxilasa.
14. Procedimiento conforme a la reivindicación 13, caracterizado por secuencias reguladoras asociadas al promotor tac.
15. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como gen de piruvato-carboxilasa se emplea un gen con una secuencia de aminoácidos indicada bajo SEQ ID No. 2 y una secuencia de nucleótidos que codifica sus variaciones alélicas.
16. Procedimiento conforme a la reivindicación 15, caracterizado porque como gen de piruvato-carboxilasa se emplea un gen con la secuencia de nucleótidos, de los nucleótidos 165 a 3587, de acuerdo con SEQ ID No 1, o una secuencia de ADN que actúa esencialmente de la misma manera.
17. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones precedentes, para la producción de lisina, treonina, homoserina. glutamato y/o arginina.
18. Gen de piruvato-carboxilasa, con una secuencia de aminoácidos indicada bajo SEQ ID No.2 y/o una secuencia de nucleótidos que codifica sus variaciones alélicas.
19. Gen de piruvato-carboxilasa conforme a la reivindicación 18, con la secuencia de nucleótidos, de los nucleótidos 165 a 3587, conforme a SEQ ID Nr. 1 o a una secuencia de ADN que actúa esencialmente de la misma manera.
20. Gen de piruvato-carboxilasa conforme a la reivindicación 18 ó 19, con un promotor antepuesto a la secuencia de
nucleótidos. de los nucleótidos 20 a 109 conforme a SEQ ID No. 1, o una secuencia de ADN que actúa esencialmente de la misma manera.
21. Gen de piruvato-carboxilasa conforme a la reivindicación 18 ó 19, con un promotor tac antepuesto.
22. Gen de piruvato-carboxilasa conforme a la reivindicación 21, con secuencias reguladoras asociadas al promotor.
23. Gen de piruvato-carboxilasa conforme a una de las reivindicaciones 18 a 20, con secuencias génicas reguladoras asociadas al mismo.
24. Estructura génica, que contiene un gen de piruvato-carboxilasa conforme a una de las reivindicaciones 18 a 23.
25. Vector, que contiene un gen de piruvato-carboxilasa conforme a una de las reivindicaciones 18 a 23, o una estructura génica conforme a la reivindicación 24.
26. Célula transformada, que contiene en forma replicable un gen de piruvato-carboxilasa conforme a una de las reivindicaciones 18 a 23, o una estructura génica conforme a la reivindicación 24.
27. Célula transformada conforme a la reivindicación 26, que contiene un vector conforme a la reivindicación 25.
28. Célula transformada conforme a la reivindicación 26 ó 27, caracterizada porque pertenece al género Corynebacterium.
29. Célula transformada conforme a una de las reivindicaciones 26 a 28, caracterizada porque las enzimas en ella que participan en la síntesis del correspondiente aminoácido y/o las enzimas que participan en la exportación del aminoácido correspondiente, están desreguladas.
30. Célula transformada conforme a una de las reivindicaciones 26 a 29, caracterizada porque contiene una mayor proporción de metabolitos del metabolismo central que participan en la síntesis del aminoácido correspondiente.
31. Célula transformada conforme a una de las reivindicaciones 26 a 30, caracterizada porque contiene una proporción reducida de metabolitos del metabolismo central que no participan en la síntesis del aminoácido correspondiente.
32. Uso de un gen de piruvato-carboxilasa para incrementar la producción de aminoácidos de la familia de los aspartatos y/o glutamatos, a partir de microorganismos.
33. Uso conforme a la reivindicación 32, caracterizado porque se utiliza un gen de piruvato-carboxilasa mutado que codifica una enzima con una elevada actividad de piruvato-carboxilasa.
34. Uso conforme a la reivindicación 32 ó 33, caracterizado porque se transforma el microorganismo productor del correspondiente aminoácido con una construcción génica que contiene un gen de piruvato-carboxilasa.
35. Uso conforme a la reivindicación 34, caracterizado porque la construcción génica contiene adicionalmente secuencias génicas reguladoras.
36. Uso conforme a una de las reivindicaciones 32 a 35, caracterizado porque se utiliza un gen de piruvato-carboxilasa de Corynebacterium.
37. Uso conforme a una de las reivindicaciones 32 a 36, caracterizado porque se utiliza Corynebacterium como microorganismo productor de aminoácidos.
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