ES2327897T3 - Produccion de polihidroxialcanoato en plantas. - Google Patents

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Abstract

Una planta adaptada para la producción de polihidroxialcanoato que comprende un genoma recombinante, genoma que contiene un gen o genes que codifican una enzima o enzimas necesarias para catalizar la producción de polihidroxialcanoato junto con una secuencia reguladora de gen que dirige la enzima a un plástido.

Description

Producción de polihidroxialcanoato en plantas.
Esta invención se refiere a la producción de polihidroxialcanoato en plantas.
Poli-3-hidroxibutirato (PHB) es un poliéster lineal de D(-)-3 hidroxibutirato. En primer lugar se descubrió en Bacillus megaterium en 1925. El polihidroxibutirato se acumula en gránulos intracelulares de una amplia variedad de bacterias. Los gránulos dan la apariencia de estar unidos a membrana y se pueden teñir con colorante Negro de Sudán. El polímero se produce en condiciones de limitación de nutrientes y actúa como una reserva de carbono y energía. El peso molecular del polihidroxibutirato varía de aproximadamente 50.000 a mayor de 1.000.000, dependiendo de los microorganismos implicados, las condiciones de crecimiento y los métodos empleados para la extracción del polihidroxibutirato. El polihidroxibutirato es una reserva de carbono ideal ya que existe en las células en un estado altamente reducido (es prácticamente insoluble) y ejerce presión osmótica insignificante.
El polihidroxibutirato y polihidroxialcanoato relacionados, tales como poli-3-hidroxivalerato y poli-3-hidroxioctanoato, son termoplásticos biodegradables de importancia comercial considerable.
Los términos "polihidroxialcanoatos" y "PHA" como se usan en lo sucesivo en este documento incluyen polímeros de 3-hidroxibutirato, polímeros de hidroxialcanoatos relacionados tales como 3-hidroxivalerato, 3-hidroxihexanoato, 3-hidroxioctanoato, 3-hidroxidecanoato y también copolímeros y mezclas de más de uno de estos hidroxialcanoatos.
El polihidroxialcanoato es biodegradable y lo degradan rápidamente los microorganismos de la tierra. Es termoplástico (se funde a 180ºC) y se puede moldear fácilmente en formas diversas usando tecnología establecida para los otros materiales termoplásticos tales como polietileno de alta densidad que se funde a aproximadamente la misma temperatura (190ºC). El material es ideal para la producción de empaques biodegradables que se degradarán en vertederos de basura y aguas residuales. El polímero es biocompatible, así como biodegradable y el organismo de mamíferos, incluyendo el ser humano, lo tolera bien; su producto de degradación, 3-hidroxibutirato, es un metabolito de mamíferos normal. El polihidroxibutirato se degrada sólo lentamente en el organismo haciéndolo adecuado para aplicaciones médicas donde se requiere la degradación a largo plazo.
El polihidroxialcanoato, producido por el microorganismo Alcaligenes eutrophus, lo fabrica, como un copolímero de polihidroxibutirato y polihidroxivalerato, Imperial Chemical Industries PLC y se comercializa con la Marca Comercial BIOPOL. La naturaleza del polímero, por ejemplo, las proporciones de PHB y PHV está determina por el sustrato suministrado en la fermentación. Normalmente se suministra en forma de gránulos para termoprocesamiento. Sin embargo, el polihidroxialcanoato es más costoso de fabricar mediante métodos existentes que, digamos, el polietileno. Por lo tanto, es deseable que se pueda proporcionar una producción nueva y más económica de polihidroxialca-
noato.
Un objeto de la presente invención es proporcionar materiales y un método para la producción eficaz de polihidroxialcanoato.
De acuerdo con la presente invención se proporciona una planta adaptada para la producción de polihidroxialcanoato que comprende un genoma recombinante, genoma que contiene un gen o genes que codifican una enzima o enzimas necesarias para catalizar la producción de polihidroxialcanoato junto con una secuencia reguladora de gen que dirige la enzima a un plástido.
Estas secuencias reguladoras incluyen secuencias de péptido de tránsito que dirigen las enzimas al plástico.
Los genes que codifican la enzima o enzimas necesarias para la catálisis de producción de polihidroxialcanoato se pueden aislar a partir de un microorganismo, tal como Alcaligenes eutrophus, que se conoce que produce polihidroxibutirato y otros polihidroxialcanoatos.
Es preferible, por razones que se explicarán más adelante, que la planta sea de una especie que produzca cantidades sustanciales de aceite, en lugar de almidón. Tales especies de plantas se conocen y se denominan simplemente cultivos de "semillas oleaginosas" e incluyen, colza, canola, soja y girasol. Se conocen métodos para la transformación genética de muchos cultivos oleaginosos; por ejemplo, la transformación mediante métodos de Agrobacterium tumefaciens son adecuados para la mayoría. Tales métodos se describen con detalle en la bibliografía y se conocen y practican de forma exhaustiva en la técnica.
La biosíntesis de polihidroxibutirato a partir del sustrato, acetil-CoA implica tres etapas catalizadas por enzima, que se ilustran en la Figura 1 en este documento.
Las tres enzimas implicadas son \beta-cetotiolasa, acetoacetil-CoA reductasa unida a NADP y polihidroxibutirato sintetasa, cuyos genes se han clonado a partir de Alcaligenes eutrophus (Schubert et al, 1988, J Bacteriol, 170). Cuando se clonan en Escherichia coli se conoce que los tres genes facilitan la producción de polihidroxialcanoato hasta el 30% del peso celular.
Se conoce que en las bacterias existen genes que especifican la producción del alcanoatos más elevada que la de butirato. El aislamiento de los genes apropiados permite la expresión de estos polihidroxialcanoatos más elevados. Por ejemplo, en las especies bacterianas Pseudomonas oleovorans y Pseudomonas aeruginosa existen genes que especifican la producción del polihidroxioctanoato y el decanoato. Sin embargo, los genes para polímeros análogos están muy extendidos en especies bacterianas.
Todos los microorganismos necesarios para la realización de esta invención están disponibles al público en colecciones de cultivo públicas.
Una característica preferida importante de esta invención es el uso de una planta oleaginosa para expresión del polihidroxialcanoato. La razón tras la selección de cultivos productores de aceite es que tales plantas producen de forma natural grandes cantidades de sustrato de acetil-CoA (en condiciones aeróbicas) en la semilla en desarrollo, que se usa normalmente en síntesis de ácidos grasos. La desviación de este sustrato en la producción de polihidroxialcanoato reducirá la cantidad de aceite almacenado por la semilla pero tendrá influencia mínima sobre otros aspectos del metabolismo de la célula. Por lo tanto, es posible producir cantidades comercialmente viables de polihidroxialcanoato tal como polihidroxibutirato en una oleaginosa.
Se ha sugerido previamente que los genes de Alcaligenes eutrophus se podían expresar en un cultivo de almidón pero esto tiene determinados problemas. Para optimizar la producción de polihidroxialcanoato en un cultivo de este tipo, probablemente sería necesario regular a la baja la síntesis de almidón. Sin embargo, aunque se pudiera lograr esta regulación a la baja no garantizaría un índice aumentado de producción de acetil-CoA. Además, aunque se consiguiera esta producción aumentada, es posible que la acetil-CoA fuera utilizada rápidamente por la respiración en el cultivo de almidón.
Para la expresión en plantas superiores los genes bacterianos (por ejemplo, Alcaligenes eutrophus) requieren secuencias promotoras y terminadoras adecuadas. Están disponibles para uso diversos promotores/terminadores. Para la expresión constitutiva se puede usar el promotor y terminador nos del virus del mosaico de coliflor CaMV35S. Sin embargo, se prefiere dirigir la síntesis de polihidroxialcanoato sólo al órgano de almacenamiento de aceite en desarrollo de la semilla oleaginosa tal como el embrión de colza. El promotor de la proteína de almacenamiento de la semilla de colza, napin, se podría usar para obtener expresión específica de embrión de genes de polihidroxialcanoato. La expresión de los genes de polihidroxialcanoato durante el periodo preciso en el cual se está preparando lípido asegurará la competición eficaz por las enzimas de polihidroxialcanoato por acetil-CoA disponible. Los promotores de genes de síntesis de ácidos grasos cuyas expresiones se activan en este momento son, por tanto, los candidatos más apropiados para usarse como promotores de genes de polihidroxialcanoato. Los ejemplos de tales promotores son los de isoformas específicas de semillas de proteína transportadora de acilo de colza (ACP) o \beta-cetoacil ACP
reductasa.
Al insertar los genes de polihidroxialcanoato en células eucariotas, se tiene que tener en consideración el compartimiento subcelular más apropiado en el cual localizar las enzimas. Dos factores son importantes: el sitio de producción de sustrato de acetil-CoA y el espacio disponible para almacenamiento del polímero de polihidroxialcanoato.
El acetil-CoA necesario para síntesis de ácidos grasos en, por ejemplo, embrión de colza en desarrollo se produce por dos rutas. La primera ruta directa implica la actividad de una enzima piruvato deshidrogenasa localizada en el plástido. La segunda ruta implica la producción inicial de acetil-CoA mediante piruvato deshidrogenasa mitocondrial, lisis para liberar el acetato y difusión del acetato en el plástido donde se reesterifica a CoA mediante la acetil-CoA sintetasa. La semilla de colza también produce acetil-CoA en el citosol, aunque en un índice menor que en el plástido, a través de la actividad de una enzima citosólica citrato liasa.
Considerando el suministro de sustrato, la enzima \beta-cetotiolasa bacteriana (por ejemplo, Alcaligenes) podría funcionar en la mitocondria, usando acetil-CoA producido en exceso de los requerimientos de la respiración o en el citosol. Sin embargo, de acuerdo con la invención esta enzima se dirige a los plástidos, donde se producen índices más elevados de generación de acetil-CoA.
Las mitocondrias carecen de espacio suficiente para almacenamiento del polímero de polihidroxialcanoato. En los plástidos existe espacio de almacenamiento significativo, al menos en el embrión de colza.
No se conoce si los intermediarios de la ruta de acetoacetil-CoA o hidroxibutiril-CoA se pueden transportar desde el plástido al citosol. Con toda certeza, los mismos no serían capaces de atravesar la membrana de envuelta del plástido como ésteres de CoA. La exportación necesitaría que los sistemas de transporte implicados en la exportación de ácidos grasos desde plástidos reconozcan a los grupos de acetoacetato o hidroxibutirato. Se ha sugerido que los mismos implican: lisis del éster de CoA, exportación del ácido libre y resíntesis del éster de CoA en el citosol; o transferencia de los grupos acilo a carnitina y exportación de acil carnitina. Si los grupos de acetoacetilo se pueden exportar desde el plástido por uno de estos mecanismos, entonces sería posible dirigir la \beta-cetotiolasa al plástido, para utilizar acetil-CoA destinado para la síntesis de lípidos y dirigir acetoacetil-CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa al citosol para conseguir la síntesis de polímero en este compartimiento más espacioso. Si no se pueden exportar los grupos de acetoacetato ni de hidroxibutirato desde el plástido, la síntesis de polihidroxialcanoato necesitará que las tres enzimas de ruta se dirijan a este organelo de forma que se expresen en el mismo compartimiento celular.
Para dirigir las tres enzimas bacterianas (tal como Alcaligenes eutrophus) para la síntesis de polihidroxialcanoato al plástido de planta se necesita el uso de elementos reguladores de dirección específicos denominados péptidos de tránsito. Las fuentes posibles de secuencias de dirección de estroma de plástido son los genes para:
(a) subunidad pequeña de ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa (RUBISCO ssu);
(b) proteína transportadora de acilo (ACP);
(c) \beta-cetoacil ACP reductasa;
(d) enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa (EPSPS);
(e) fructosa 1,6-bifosfatasa.
De estos, el péptido de tránsito de subunidad pequeña RUBISCO ha demostrado dirigir polipéptidos a plástidos en tejidos tanto fotosintéticos como no fotosintéticos. Los péptidos de tránsito de ACP y \beta-cetoacil ACP reductasa también funcionarían de forma eficaz en plantas tales como el embrión de colza. La ventaja de usar el mismo péptido de tránsito de plástido para los tres genes de polihidroxialcanoato es asegurar que cualquier variabilidad en la captación de los genes no se deba al péptido de tránsito que se usa.
Aunque algunas proteínas parecen dirigirse eficazmente al estroma de plástido mediante el péptido de tránsito solo, otras proteínas también necesitan la presencia de hasta 20 aminoácidos del extremo amino de la proteína madura. La necesidad de la presencia de secuencias maduras parece depender del tamaño y la carga de la proteína que se tiene que transportar.
Para obtener síntesis de polímero de polihidroxialcanoato en tejidos de plantas es necesario obtener plantas que expresan los tres genes para las enzimas \beta-cetotiolasa, acetoacetil-CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa. Esto se puede conseguir usando una de las siguientes estrategias:
i)
Las plantas se pueden transformar individualmente con los tres genes de ruta del polihidroxialcanoato. Las plantas que contienen genes individuales se cultivan en el invernadero y con polinización cruzada para obtener plantas híbridas que contienen dos genes de ruta. Después, este procedimiento se repite para producir plantas híbridas que contienen los tres genes.
ii)
Las plantas se pueden transformar secuencialmente con plásmidos que contienen los genes de ruta individuales.
iii)
Dos o tres genes de ruta se puede cotransformar en la misma planta mediante infección simultánea con Agrobacteria que contienen los genes individuales.
iv)
Las plantas se pueden transformar con plásmidos que contienen dos o tres genes de ruta.
Se puede usar una combinación de estas técnicas para obtener la expresión de los tres genes en una planta única. Se realizan rondas sucesivas de polinización cruzada hasta que la descendencia sea homocigota para los tres genes. Para los métodos (ii) y (iii) anteriormente, es provechoso insertar cada gen en vectores que contengan diferentes genes marcadores seleccionables para facilitar la selección de plantas que contengan dos o tres genes de ruta de polihidroxialcanoato. Los ejemplos de marcadores seleccionables son genes que confieren resistencias a kanamicina, higromicina, sulfonamidas y bialafos o fosfinotricina.
Ahora, la invención se describirá a modo de ejemplo sólo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra la ruta para producción de polihidroxibutirato en Alcaligenes eutrophus;
La Figura 2 es un mapa físico del fragmento SmaI-EcoRI de 5,2 kb de ADN de Alcaligenes eutrophus;
La Figura 3 es un mapa del vector de expresión de planta pJR1i;
La Figura 4 muestra el análisis de transferencia de Southern de los tres productos de PCR producidos durante la preparación de la construcción de péptido de tránsito ssu-cetotiolasa;
La Figura 5 es un gráfico de actividades enzimáticas de \beta-cetotiolasa en hojas de tabaco;
La Figura 6 es un gráfico de actividades enzimáticas de NADP acetoacetil CoA reductasa en hojas de tabaco.
Ejemplo
Un fragmento SmaI-EcoRI de 5,2 kb que codifica los tres genes biosintéticos de polihidroxialcanoato (PHA) se había aislado previamente a partir de Alcaligenes eutrophus (Schubert et al, 1988, J Bacteriol, 170). Este fragmento clonado en el vector pUC9 (New England Biolabs) junto con un fragmento PstI sub de 2,3 kb clonado en Bluescript KS- (Stratagene) fueron proporcionados por el Dr. Steinbuchel de la Universidad de Gottingen, Alemania. En la Figura 2 se muestra un mapa de restricción del fragmento. Se muestran las posiciones de los sitios de restricción y las posiciones de los genes de \beta-cetotiolasa, acetoacetil CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa (PHB).
El vector de expresión elegido para obtener expresión constitutiva de genes biosintéticos de PHA en plantas de tabaco y de colza fue pJR1i. Este vector contiene el promotor y el terminador nos del virus del mosaico de coliflor CaMV35S, separado por un sitio de clonación múltiple para permitir la inserción de los genes de PHA. El vector también contiene el gen nptII de resistencia a kanamicina como un marcador seleccionable. La Figura 3 es un mapa del vector de expresión de plantas pJR1i. También se utilizó el vector pJRIRi; este vector contiene el casete de expresión en la orientación opuesta.
Todas las técnicas de biología molecular de rutina fueron las de Sambrook et al (1989, A laboratory manual, Segunda edición). Todos los oligonucleótidos se sintetizaron en un sintetizador de ADN Applied Biosystems 380B. Las máquinas de PCR usadas fueron Techne PHC-1 Programmable Dri-Blocks. La Taq polimerasa se obtuvo en Perkin-Elmer/Cetus. Las enzimas de restricción y otras enzimas modificadoras se obtuvieron de New England Biolabs, Gibco/BRL, Northumbria Biologicals Limited y Pharmacia. Los kits de secuenciación se obtuvieron en Cambridge Biosciences (Sequenase) y Promega (Taqtrack). Todos los radio-isótopos fueron suministrados por Amersham International.
1. Construcción de vectores para obtener expresión citosólica constitutiva de genes de ruta de PHA 1.1.\beta-cetotiolasa
El gen de \beta-cetotiolasa se aisló como un fragmento PstI-PleI de 1,3 kb a partir del fragmento PstI de 2,3 kb de pKS-::2.3P7. Los extremos de este fragmento se cortaron para producir extremos romos con Klenow y se insertó en el sitio SmaI defosforilado de pJRli. El plásmido resultante se denominó pJR1iT. Los plásmidos recombinantes se identificaron mediante hibridación de colonia usando el fragmento de inserto de 1,3 kb como una sonda. La cartografía de restricción de recombinantes reveló los que contenían un inserto único de \beta-cetotiolasa en la orientación sentido. La orientación del inserto se confirmó mediante secuenciación usando un cebador que hibridó al extremo 3' del promotor de CaMV35S.
1.2. Acetoacetil-CoA reductasa
El gen de acetoacetil-CoA reductasa se aisló como un fragmento AvaII-XmnII de 0,9 kb a partir de pKS::2.3P7. Este fragmento se insertó en pJRIi como se ha descrito para pJRIiT. Sin embargo, la orientación del fragmento de inserto en plásmidos recombinantes no se pudo confirmar mediante cartografía de restricción debido a que no estaban disponibles sitios de enzima de restricción adecuados. Por lo tanto, se secuenciaron cuatro recombinantes usando el cebador 3' de CaMV35S y, de estos, se observó que uno contenía un inserto sentido. Este plásmido se denominó pJRIiR.
1.3. PHB sintetasa
El gen de PHB sintetasa se aisló a partir de pKS-::2.3P7 como un fragmento de BstBI-StuI. Este fragmento se cortó para producir extremos romos y se insertó en pJRIi como se ha descrito para pJRIiT y pJRIiR. La identidad de plásmidos recombinantes (pJRIiS) que contenían un inserto único en orientación sentido se confirmó mediante cartografía de restricción y mediante secuenciación con el cebador 3' de CaMV35S.
2. Construcción de vectores para expresión dirigida de plástido constitutiva de enzimas de ruta de PHA
El transporte hacia plástidos de los polipéptidos de componente para cada una de las enzimas de ruta de PHB se puede conseguir mediante la adición de una secuencia de péptido de tránsito al extremo 5' de la secuencia de genes.
El primer gen a adaptarse fue el de cetotiolasa. Se empleó una técnica que implica reacción en cadena de polimerasa (PCR) para unir la secuencia de péptido de tránsito de subunidad pequeña RUBISCO pea en fase con el gen de cetotiolasa.
Unir el péptido de tránsito al gen de cetotiolasa implicó tres experimentos. El primer experimento añadió una parte pequeña del extremo 5' del gen de cetotiolasa en el extremo 3' de la secuencia de péptido de tránsito. El segundo experimento añadió una parte pequeña del extremo 3' del péptido de tránsito al extremo 5' del gen de cetotiolasa. El tercer experimento utilizó las salientes producidas en los experimentos anteriores para prolongarse a través de la unión y producir péptido de tránsito de longitud completa unido en fase con el gen de cetotiolasa. Se diseñaron cuatro cebadores de PCR:
\newpage
1.
Extremo 5' del péptido de tránsito que permite prolongación hacia su extremo 3':
1
2.
Extremo 3' de péptido de tránsito unido a extremo 5' del gen de cetotiolasa que permite la prolongación hacia el extremo 5' del péptido de tránsito:
2
3.
Extremo 3' del péptido de tránsito unido al extremo 5' del gen de cetotiolasa que permite la prolongación hacia el extremo 3' del gen de cetotiolasa:
3
4.
Extremo 3' del gen de cetotiolasa:
4
\vskip1.000000\baselineskip
Para el primer experimento el ADN de molde fue pSM64 (secuencia de péptido de tránsito) y los cebadores fueron TP1 y TPKB con una temperatura de hibridación de 65ºC. Los productos obtenidos de PCR se desarrollaron en un gel de agarosa y la banda correspondiente a 199 pb se cortó y electroeluyó a partir del gel.
En el segundo experimento el ADN de molde fue pKS::2.3P7, los cebadores implicados fueron TPKT y K1 y la temperatura de hibridación 68ºC. Los productos de la reacción de PCR de nuevo se desarrollaron en un gel y la banda de 1,207 kb necesaria se aisló y electroeluyó a partir del corte de gel.
El tercer experimento utilizó el ADN aislado a partir del experimento anterior como molde y los cebadores TP1 y K1. La temperatura de hibridación fue 65ºC y aunque este experimento de PCR fue muy ineficaz se formó algún producto de longitud completa (1,352 kb).
Una pequeña parte de cada uno de los tres productos de PCR se desarrolló en un gel de agarosa. Se realizó análisis de transferencia de Southern usando tres de los oligos como sondas (TP1, K1 y TPKT). Los resultados se proporcionan en la Figura 4 y muestran que el producto de la tercera reacción contenía el extremo 5' del péptido de tránsito, el solapamiento de péptido de tránsito 3' y el gen de cetotiolasa 5' y el extremo 3' del gen de cetotiolasa.
Fue necesario comprobar la secuencia de este producto ya que se sabe que PCR puede incorporar desapareamientos de bases. El producto de PCR se cortó para producir extremos romos y se clonó en pUC18 con SmaI cortado y fosfatado. Se identificaron seis clones que contenían el producto de PCR. Los clones se secuenciaron usando los cebadores universal e inverso (kit de Sequenase y kit de Taqtrack). Se identificaron clones con secuencia completamente correcta a través del péptido de tránsito y el extremo 5' del gen de cetotiolasa hasta un sitio de restricción TthIII1 dentro del gen. A partir de uno de esos clones se escindió un fragmento TthIII1-Kpn1. El sitio KpnI se volvió a cortar para dar un extremo romo y se insertó un fragmento TthII11-SmaI de ADN de Alcaligenes eutrophus a partir de Pks-::2.3P7 correspondiente a la parte principal del gen de cetotiolasa. Se secuenciaron clones positivos a través de las uniones. El fragmento de péptido de tránsito-cetotiolasa se escindió y se insertó en pJRIRi.
Para la construcción de péptido de tránsito-reductasa también se utilizó PCR. Esto requirió sólo un experimento de PCR ya que un sitio Dde I (único en la secuencias de péptido de tránsito y reductasa) estaba presente cerca del extremo 5' del gen. El experimento de PCR necesitó dos cebadores:
\newpage
1.
Secuencia homóloga al extremo 5' del péptido de tránsito que permitiría la prolongación hacia el extremo 3'. Se incorporó un sitio CIa I en la secuencia 5' a la secuencia de péptido de tránsito.
5
2.
Secuencia homóloga para apenas pasar el sitio Dde I en el gen de reductasa, unida en fase con la secuencia del péptido de tránsito 3' para permitir la prolongación hacia el péptido de tránsito 5'.
6
Después de PCR con estos dos cebadores y ADN de péptido de tránsito como molde, el producto de 195 pb se identificó en geles de agarosa y se aisló mediante electroelución. El gen de reductasa DdeI XmnI se aisló y ligó al producto de PCR cortado con DdeI. Después de electroforesis en gel de agarosa la banda 1,063 kb se aisló, se cortó con CiaI y se ligó en Bluescript SK(-) CiaI EcoRV. Los positivos se están caracterizando.
3. Transformación de plantas con los genes de PHB 3.1. Transformaciones de Agrobacterium
pJRliT, pJRliR, pJRliS y pJRli purificados con cesio se transformaron individualmente en Agrobacterium tumefaciens cepa LBA4404 mediante captación directa de la forma siguiente. Se inoculó LB (10 ml) con A. tumefaciens cepa LBA4404. El cultivo se incubó con agitación a 28ºC durante aproximadamente 16 horas hasta que la densidad óptica (DO) a 660 nm fue 0,5. Las células se recuperaron mediante centrifugación (3000 rpm Sorval RT6000B, 6 min, 4ºC). Las mismas se resuspendieron en 250 \mul de CaCl_{2} 20 mM enfriado con hielo. La suspensión de células después se repartió en tubos Eppendorf preenfriados en alícuotas de 0,1 ml. Se añadió aproximadamente 1 \mug de ADN de plásmido purificado con cesio a cada tubo. Después, las células se sometieron a choque térmico mediante congelación en nitrógeno líquido seguida de incubación a 37ºC durante 5 minutos. Se añadió medio LB (1 ml) y se permitió que las células se recuperaran por incubación (agitada) a 28ºC durante 3-4 horas. Los sedimentos celulares se obtuvieron mediante centrifugación (11500 g, 30 segundos, 20ºC) y se resuspendieron en 0,1 ml de LB. Las células recombinantes se seleccionaron en LB (solidificado con agar) que contenía kanamicina (50 \mug/ml), estreptomicina (500 \mug/ml) y rifampicina (100 \mug/ml) seguido de incubación a 28ºC. Después, ADN de Mini-prep de las cepas de Agrobacterium resultante se aisló y analizó mediante digestión con enzima de restricción para asegurar que no hubieran ocurrido rearreglos.
3.2. Transformaciones de plantas
Trozos de hojas de tabaco y pecíolos de colza se inocularon individualmente con las cepas LBA4404/JRIi,
LBA4404/pJRIiT, LBA4404/pJRIiR y LBA4404/pJRIiS. Las plantas se cultivaron en una habitación de crecimiento con una temperatura de 25ºC y un fotoperiodo de 16 horas.
Plántulas de Brassica napus vc Westar se esterilizaron en hipoclorito de sodio al 10% y se lavaron en agua estéril antes de la germinación en medio MS (Imperial) (que contiene sacarosa al 3% y fitagar al 0,7% (Gibco). Los cotiledones se extirparon de plántulas de 5 días de edad y los pecíolos de las mismas se pusieron en medio MS como anteriormente pero complementado con 4,5 \mug/ml de bencilaminopurina (BAP). Los cotiledones se cultivaron en este medio durante 24 horas después de lo cual sus pecíolos se sumergieron en una solución de Agrobacterium. El cultivo de Agrobacterium se había cultivado durante la noche en medio LB que contenía kanamicina (50 \mug/ml) a continuación de lo cual las células de Agrobacterium se habían sedimentado y lavado en medio MS líquido y se habían diluido hasta OD_{660} 0,1. Los pecíolos inoculados se devolvieron al medio MS que contenía 4,5 \mug/ml de BAP y se incubaron en la habitación de cultivo durante 2 días. Después, los cotiledones se transfirieron a medio MS complementado con BAP (4,5 \mug/ml), carbenicilina (Duchefa) (500 \mug/ml) y kanamicina (15 \mug/ml). Los cotiledones se subcultivaron en este medio cada dos semanas hasta la producción de callo verde y, con el tiempo, brotes. Los brotes se extirparon y cultivaron en MS que contenía carbenicilina (500 \mug/ml) y kanamicina (15 \mug/ml) hasta que se transfirieron al invernadero.
Semillas de Nicotiana tabacum vc SRI se esterilizaron como se ha descrito anteriormente y se germinaron en medio MS (que contenía sacarosa al 3% y bactoagar al 0,8%). Las puntas de brotes de estas semillas después se micropropagaron en este medio para proporcionar plantas para estudios de transformación. Trozos de hojas de estas plantas se sumergieron en una solución de Agrobacterium (preparada como se ha descrito anteriormente) y después se cultivaron en medio MS que contenía sacarosa al 3%, bactoagar al 0,8%, 1 \mug/ml de BAP y 0,1 \mug/ml de NAA, durante 2 días. Después, los trozos de hojas se cultivaron en el mismo medio complementado con carbenicilina (500 \mug/ml) y kanamicina (100 \mug/m) durante 5 semanas. Los brotes regenerados se extirparon y cultivaron en MS que contenía sacarosa al 3%, bactoagar al 0,8%, 200 pg/ml de carbenicilina y 100 \mug/ml de kanamicina durante 2 pases de 5 semanas antes de la transferencia al invernadero.
Se obtuvieron plantas de tabaco y colza resistentes a kanamicina para las que se habían transformado individualmente con JRIi, JRIiT, JRIiR y JRIiS.
3.3 Cotransformaciones
Cotiledones de colza y trozos de hojas de tabaco también se inocularon con mezclas de cepas de Agrobacterium. Estas inoculaciones se realizaron como se ha descrito previamente excepto que se prepararon mezclas 1:1 de cultivos de Agrobacterium diluidos de la misma densidad óptica, inmediatamente antes de la inoculación.
4. Evaluación bioquímica de plantas
La expresión de enzimas de ruta de PHA de Alcaligenes eutrophus en tejidos de plantas se detectó mediante ensayos de actividad enzimática. La presencia de los polipéptidos de enzima también se detectó mediante análisis de transferencia de Western.
Para los últimos análisis, se generaron anticuerpos policlonales de conejo frente a las enzimas purificadas \beta-cetotiolasa y NADP acetoacetil CoA reductasa a partir de Alcaligenes eutrophus. Las bacterias se sedimentaron, lavaron y se prepararon extractos crudos como han descrito Haywood y Large (1981, Biochem J, 199, 187-201). Se purificó \beta-cetotiolasa A mediante cromatografía en hidroxiapatita, seguida de cromatografía de intercambio aniónico en FPLC mono Q, seguido de filtración en gel en Superdex S-200 (Pharmacia), usando modificaciones de métodos descritos por Haywood et al (1988, FEMS Microbiology Letters, 52, 91-96). Se purificó NADP acetoacetil-CoA reductasa usando las mismas técnicas, con una etapa de cromatografía de afinidad adicional en 2', 5' ADP sefarosa (Pharmacia). Las proteínas purificadas se sometieron a electroforesis en gel de poliacrilamida dodecil sulfato de sodio (SDS PAGE) de acuerdo con el método de Laemmli (1970, Nature, 222, 680-685). La preparación final de \beta-cetotiolasa mostró una banda única teñida con azul de coomassie a 41 kd. La preparación de reductasa final mostró una banda principal a 26 kb. 3 mg de cetotiolasa purificada y 2 mg de reductasa purificada se sometieron a SDS PAGE preparativa. Las bandas correspondientes a las dos enzimas se electroeluyeron a partir de los geles y se inyectaron en conejos para generar anticuerpos policlonales. Se demostró que los sueros de muestras de sangre primarias y secundarias a continuación de la inyección contenían anticuerpos específicos para sus enzimas diana a través de análisis de transferencia de Western de extractos crudos de Alcaligenes.
Los extractos crudos de hojas de tabaco se prepararon moliendo tejido de hoja en tampón de fosfato de potasio 50 mM, pH 7,0, que contenía ditiotreitol 1 mM. Después de centrifugación a 30.000 g, se condujeron ensayos enzimáticos para cetotiolasa y acetoacetil CoA reductasa en alícuotas de los sobrenadantes por los métodos descritos por Haywood et al (1988, FEMS Microbiology Letters, 52, 91-96; 52, 259-264). Se condujeron ensayos de PHB sintetasa en alícuotas de los sobrenadantes de 30.000 g y alícuotas del sedimento, resuspendidas en tampón de extracción, por el método de Haywood et al (1989, FEMS Microbiology Letters, 57, 1-6).
Para el análisis de transferencia de Western, alícuotas de los sobrenadantes de 30.000 g se sometieron a SDS PAGE y se transfirieron electroforéticamente a filtros de nitrocelulosa. Después los filtros se enjuagaron en TBS (Tris-HCl 50 mM, pH 7,9, NaCl 150 mM) y se incubaron en TBS más albúmina sérica bobina al 5%. Las proteínas que reaccionaban con suero anti-cetotiolasa o anti-reductasa se detectaron incubando los filtros en 100 ml de TBS que contenía 2 ml del suero pertinente durante 1-2 h. El primer anticuerpo unido se detectó posteriormente usando conjugado de fosfatasa alcalina de cabra anti-IgG de conejo y reactivo de desarrollo de color de fosfatasa alcalina de nitroazul de tetrazolio (BioRad Laboratories).
Los análisis bioquímicos iniciales se realizaron en plantas de tabaco subcultivadas que crecían en cultivo de tejido. Dieciocho plantas resistentes a kanamicina transformadas con cetotiolasa de JR1i se sometieron a análisis enzimáticos y los resultados se compararon con plantas de control no transformadas. Se extrajeron hojas del mismo tamaño.
La Figura 5 muestra las actividades enzimáticas de \beta-cetotiolasa en las hojas de tabaco. Los números de identificación de plantas individuales se muestran en el eje x. Las plantas a la izquierda de la línea de puntos son plantas de control no transformadas. Las plantas a la derecha de la línea están transformadas con cetotiolasa de JR1i.
Se detectó un nivel bajo de actividad de cetotiolasa en plantas de control no transformadas. Casi todas las plantas transformadas de cetotiolasa de JR1i tenían actividad de cetotiolasa mayor que el control. La actividad más alta fue 34 nmol/min/mg de proteína, 2,8 veces más alta que la planta de control más alta. En transferencias de Western, el anticuerpo anti-cetotiolasa detectó un polipéptido a 41 kb en plantas de tabaco de control no transformadas, posiblemente correspondiente a la actividad enzimática de cetotiolasa endógena. Mientras también se detectó un polipéptido de 41 kb en extractos de las plantas transformadas con cetotiolasa de JR1i, las transferencias de Western no pudieron distinguir cuantitativamente plantas transformadas de no transformadas.
La Figura 6 muestra las actividades enzimáticas de NADP acetoacetil CoA reductasa en hojas de las plantas de tabaco cultivadas en cultivo de tejido. Los números de identificación de plantas individuales se muestran en el eje x. Las plantas a la izquierda de la línea de puntos son plantas de control no transformadas. Las plantas a la derecha de la línea están transformadas con reductasa de pJR1i.
Se detectó un nivel bajo de actividad de acetoacetil CoA reductasa en plantas de control no transformadas. Casi todas las 21 plantas transformadas con reductasa de JR1i tenían actividad de reductasa mayor a la del control. La actividad más alta fue 30 nmol/min/mg de proteína, 4 veces mayor que la planta de control más alta. En transferencias de Western el anticuerpo anti-reductasa no detectó ningún polipéptido con un p.m. de 26 kd en extractos de plantas de control no transformadas. Sin embargo, se detectó un polipéptido de 26 kd en extractos de las plantas transformadas con reductasa de JR1i. Por lo tanto, se demostró la expresión del gen de reductasa bacteriano en hojas de tabaco.

Claims (27)

1. Una planta adaptada para la producción de polihidroxialcanoato que comprende un genoma recombinante, genoma que contiene un gen o genes que codifican una enzima o enzimas necesarias para catalizar la producción de polihidroxialcanoato junto con una secuencia reguladora de gen que dirige la enzima a un plástido.
2. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1 en la que el gen o genes que codifican la enzima o enzimas necesarias para la catálisis de producción de polihidroxialcanoato se aíslan a partir de un microorganismo.
3. Una planta de acuerdo con la reivindicación 2 en la que el microorganismo es Alcaligenes eutrophus.
4. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1 en la que la planta es una planta productora de aceite.
5. Una planta de acuerdo con la reivindicación 4 en la que dicha planta productora de aceite se selecciona entre el grupo que consiste en colza, canola, soja y girasol.
6. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la planta es una planta de tabaco.
7. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dicha enzima o enzimas se seleccionan entre el grupo que consiste en \beta-cetotiolasa, acetoacetil-CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa.
8. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dicha secuencia reguladora de gen incluye secuencias de péptido de tránsito que codifican péptidos de tránsito para dirigir las enzimas a un plástido.
9. Un plástido de planta que comprende enzimas necesarias para catalizar la producción de polihidroxialcanoato, obteniéndose el plástido o pudiendo obtenerse a partir de una planta como se ha indicado en la reivindicación 1.
10. Un plástido de acuerdo con la reivindicación 9 en el que las enzimas están codificadas por genes aislados a partir de un microorganismo que se conoce que produce polihidroxialcanoato.
11. Un plástido de acuerdo con la reivindicación 10 en el que las enzimas están codificadas por genes aislados a partir de Alcaligenes eutrophus, Pseudomonas oleovorans o Pseudomonas aeruginosa.
12. Un plástido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 en el que dichas enzimas se seleccionan entre el grupo que consiste en \beta-cetotiolasa, acetoacetil CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa.
13. Un plástido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 que comprende las enzimas \beta-cetotiolasa, acetoacetil CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa.
14. Un plástido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 en el que el plástido se obtiene o se puede obtener a partir de una planta como se ha indicado en la reivindicación 8.
15. Una planta de acuerdo con la reivindicación 8, en la que la secuencia reguladora de gen codifica un péptido seleccionado entre el grupo que consiste en péptido de tránsito de subunidad pequeña (RUSBISCO ssu) de ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa, péptido de tránsito de ACP, péptido de tránsito de \beta-cetoacil ACP reductasa, péptido de tránsito de enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa (EPSPS) y péptido de tránsito de fructosa 1,6-bifosfatasa.
16. Un plásmido que comprende dos o tres genes biosintéticos de PHA seleccionados entre el grupo que consiste en (i) un gen que codifica una enzima \beta-cetotiolasa, (ii) un gen que codifica una enzima acetoacetil CoA reductasa y (iii) un gen que codifica una enzima PHA sintetasa, siendo el plásmido adecuado para la transformación de una planta, de manera que las enzimas se dirigen a un plástido.
17. Un plásmido de acuerdo con la reivindicación 16 que comprende los tres de dichos genes.
18. Un plásmido de acuerdo con la reivindicación 16 ó 17 que comprende adicionalmente secuencias reguladoras de gen adecuadas para expresión de los genes en una planta superior.
19. Un plásmido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18 en el que las enzimas comprenden un péptido de tránsito que dirige la enzima a un plástido de planta cuando la planta se transforma con el plásmido.
20. Un plásmido de acuerdo con la reivindicación 19, en el que el péptido se selecciona entre el grupo que consiste en péptido de tránsito de subunidad pequeña de ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa (RUBISCO ssu), péptido de tránsito de ACP, péptido de tránsito de \beta-cetoacil ACP reductasa, péptido de tránsito de enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa (EPSPS) o péptido de tránsito de fructosa 1,6-bifosfatasa.
21. Un método para transformar una planta con genes biosintéticos de PHA, comprendiendo el método la etapa de introducir en una célula de planta un plásmido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20.
22. Un proceso para producir polihidroxialcanoato, que comprende cultivar una planta que se ha obtenido por el método de la reivindicación 21 y obtener el polihidroxialcanoato a partir de la misma.
23. Un proceso para preparar un plástido de planta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14 que comprenden la etapas de introducir en una planta que contiene plástido genes que codifican dichas enzimas, comprendiendo además cada gen en su extremo 5' una secuencia que codifica un péptido de tránsito que dirige la enzima al plástido.
24. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 23 en el que los péptidos de tránsito se seleccionan entre el grupo que consiste en péptido de tránsito de subunidad pequeña de ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa (RUBISCO ssu), péptido de tránsito de ACP, péptido de tránsito de \beta-cetoacil ACP reductasa, péptido de tránsito de enolpiruvilshikimato-3-fosfato sintetasa (EPSPS) y péptido de tránsito de fructosa 1,6-bifosfatasa.
25. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 23 ó 24 en el que las enzimas son dos o tres de \beta-cetotiolasa, acetoacetil CoA reductasa y polihidroxibutirato sintetasa.
26. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 23-25 en que la planta es una planta de tabaco.
27. Una planta que comprende un plástido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9-14.
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