ES2352704A1 - Secuencia de nucleotido y proteina b-galactosidasa de streptococcus mitis, procedimiento de obtencion y sus aplicaciones. - Google Patents

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Abstract

Secuencia de nucleótido y proteína {be}-galactosidasa de Streptococcus mitis, procedimiento de obtención y sus aplicaciones. La presente invención describe una proteína inédita {be}-galactosidasa de Streptococcus mitis que presenta motivos de unión a colina en su estructura y que no se inhibe en presencia de elevadas concentraciones de glucosa. También se·describen dos procedimientos de purificación de {be}-galactosidasas modificadas en un hospedador heterólogo (Escherichia coli).

Description

Secuencia de nucleótido y proteína \beta-galactosidasa de Streptococcus mitis, procedimiento de obtención y sus aplicaciones.
Sector de la técnica
Sector biotecnológico con aplicaciones en la industria agroalimentaria, al análisis de carbohidratos y a la biosíntesis de oligosacáridos, y más concretamente tecnología enzimática aplicada a los productos lácteos.
Estado de la técnica
La \beta-D-galactosidasa (EC 3.2.1.23) (en lo sucesivo \beta-galactosidasa), también llamada lactasa, tiene como función primaria la hidrólisis de la lactosa en D-galactosa y D-glucosa. Por ello, la aplicación fundamental de las \beta-D-galactosidasas se circunscribe por lo general al ámbito de los productos y subproductos lácteos [Pivarnik, L.F.; Senecal, A.G. y Rand, A.G. 1995. "Hydrolytic and transgalactosylic activities of commercial \beta-galactosidase (lactase) in food processing". Adv. Food Nutrit. Res. 38, 1-102]. Además, esta enzima posee actividad transgalactosilasa y se utiliza para la síntesis de galactosil-oligosacáridos, compuestos con un interés creciente en el área agroalimentaria y farmacéutica.
Como alternativa no enzimática a la hidrólisis con \beta-galactosidasas se puede utilizar la hidrólisis química, pero produce efectos no deseables (p. ej.: pérdida de nutrientes, defectos organolépticos, etc.) [Gekas, V. y López-Leiva, M. 1985. "Hydrolysis of lactose: A literature review". Process. Biochem. 20, 1-12].
Las \beta-galactosidasas se emplean en la industria agroalimentaria para reducir el contenido en lactosa de productos lácteos y derivados, lo que tiene un interés muy variado. En primer lugar, el problema más complejo sería hacer accesibles estos alimentos a los afectados de hipolactasia, que constituyen el 70% de la población mundial, para lo que necesitaremos hidrolizar el 100% de la lactosa de la leche [Savaiano, D.A. y Kotz, C. 1988. "Recent advances in the management of lactose intolerance". Contemp. Nutr. 13,10; Wolin, M.J. 1981. "Fermentation in the rumen and human large intestine". Science 213, 1463-1468; Phillips, M.C. y Briggs, G.M. 1975. "Milk and its role in the American diet". J. Dairy Sci. 58, 1751-1763; Birge, S.J.; Keutmann, H.T.; Cuatrecases, P. y Whedon, G.D. 1963. "Osteoporosis, intestinal lactase deficiency and low dietary calcium intake". N. Engl. J. Med. 276, 445-448].
En las demás utilizaciones, la exigencia de hidrólisis totales puede estar disminuida. Por ejemplo, el uso de \beta-galactosidasas para revalorizar los sueros de lechería mediante su transformación en jarabes de glucosa-galactosa [Mahoney, R.R. 1985. "Modification of lactose and lactose-containing dairy products with \beta-galactosidase". En "Developments in Dairy Chemistry: Lactose and minor constituents". Fox, F. (Ed), pp.69-108. Elsevier, Nueva York; Short, J.L. 1975. ``Prospects for the utilization of deproteinated whey in New Zealand-A review. N.Z.J. Dairy Sci. Technol. 13,181-194], evitando lo que -por otra parte- sería un grave problema medioambiental, debido a la alta demanda bioquímica de oxígeno de la lactosa de los mencionados sueros, y dado que sólo se procesa la mitad del que se produce vertiéndose el resto a los cauces fluviales [Pivarnik, L.F.; Senecal, A.G. y Rand, A.G. 1995. "Hydrolytic and transgalactosylic activities of commercial \beta-galactosidase (lactase) in food processing". Adv. Food Nutrit. Res. 38, 1-102] (para hacernos una idea del problema, 1 Kg de queso requiere, como media, 10 L de leche).
Por otro lado, leches con la lactosa hidrolizada son mejores sustratos para la fermentación, de forma que este proceso tiene interés para acelerar la producción de derivados fermentados de la leche (quesos, yogures...). También es interesante considerar que la lactosa tiene una solubilidad reducida cuando se la compara con la de la galactosa y glucosa, con lo que su hidrólisis evita problemas de aparición de cristales de lactosa en leches condensadas, helados, etc, además de añadir un sabor dulce al alimento.
Otra aplicación no hidrolítica sino transglicosílica, sería en la industria alimentaria y farmacéutica: síntesis de galactosil-oligosacáridos por transglicosilación [Zárate, S. y López-Leiva, M.H. 1990. "Oligosaccharide formation during enzymatic lactose hidrolysis: A literatura review". J. Food Prot. 53, 262-268], pudiendo emplearse con fines de interés alimentario [Pivarnik, L.F.; Senecal, A.G. y Rand, A.G. 1995. "Hydrolytic and transgalactosylic activities of commercial \beta-galactosidase (lactase) in food processing". Adv. Food Nutrit. Res. 38, 1-102] y farmacéutico [Nilsson K.G.I. 1988 "Enzymatic synthesis of oligosaccharides" Trends Biotechnol, 6, 256-264].
Una propiedad importante que ha recibido poca atención en la literatura es el nivel de pureza de las preparaciones comerciales de \beta-galactosidasas, especialmente en lo relacionado a la presencia de otras enzimas, como las proteasas. Estos posibles contaminantes pueden tener un impacto severo en la estabilidad de la enzima, provocando cambios indeseables en los productos lácteos durante su almacenamiento. La elevada afinidad del dominio de unión a colina por este aminoalcohol o sus análogos estructurales tales como el dietilaminoetanol (DEAE) (J.M. Sanz, R. López, J.L. García "Structural requirements of choline derivatives for "conversión" of pneumococcal amidase A new single-step procedure for purification of this autolysin" FEBS Letters 232 (1988) 308-312) permite aumentar la pureza de la \beta-galactosidasa recombinante de Streptococcus mitis mediante cromatografía de afinidad de DEAE-celulosa (A. Vian, A.V. Carrascosa, J.L. García, E. Cortés. "Structure of the \beta-galactosidase gene from Thermus sp T2: Expression in Escherichia coli and purification in a single step of an active fusión protein". Applied and Environmental Microbiology 64 (1998) 2187-2191).
Teniendo en cuenta las ventajas que el dominio de unión a colina ofrece para la purificación de enzimas se ha reportado previamente la fusión de diversas \beta-galactosidasas a dominios de unión a colina:
\bullet
\beta-galactosidasa de Escherichia coli fusionada al dominio de unión a colina de N-acetilmuramoil-L-alanina amidasa (C-LYTA) de Streptococcus pneumoniae (J. Madoz, B.A. Kuznetzov, F.J. Medrano, J.L. García, V.M. Fernández ``Functionalization of Gold Surfaces for Specific and Reversible Attachment of a Fused \beta-Galactosidase and Choline-Receptor Protein J. Am. Chem. Soc. 119 (1997) 1043-1051).
\bullet
\beta-galactosidasa de E. coli con el dominio de unión a colina de la amidasa autolítica de neumococo, LytA, fusionada a su región N-terminal (J.M. Sánchez-Puelles, J.M. Sanz, J.L. García, E. García "Immobilization and single-step purification of fusión proteins using DEAE-cellulose" Eur. J. Biochem. 203 (1992) 153-159),
\bullet
\beta-galactosidasa termoestable de Thermus sp. Strain T2 fusionada al dominio de unión a colina de la principal autolisina de neumococo (A. Vián, A.V. Carrascosa, J.L. García, E. Cortés. "Structure of the \beta-galactosidase gene from Thermus sp T2: Expression in Escherichia coli and purification in a single step of an active fusión protein" Applied and Environmental Microbiology 64 (1998) 2187-2191).
\bullet
Patente española nº 9701759 (7 de Agosto de 1997): "Un procedimiento para producir \beta-galactosidasa de Thermus sp. (Cepa T2) en células hospedantes, y purificarla en un sólo paso cromatográfico". Inventores: A. Vián; A.V. Carrascosa; J.L García y E. Cortés.
Descripción
La presente invención se basa en que los inventores han identificado y aislado una secuencia de nucleótidos novedosa correspondiente a la \beta-galactosidasa de Streptococcus mitis. Posteriormente, han creado dos métodos de expresión y purificación de \beta-galactosidasas modificadas: i) método de expresión y purificación de \beta-galactosidasa sin péptido señal y ii) método de expresión y purificación de \beta-galactosidasa con poli-histidinas.
La nueva proteína \beta-galactosidasa de S. mitis es una proteína consistente en 2.411 aminoácidos con un peso molecular aproximado de 268 kDa, presenta 5 motivos repetidos de unión a colina. Estas repeticiones son un rasgo característico de las proteínas de unión a colina de S. pneumoniae, lo que permite su purificación de manera sencilla a través de una columna cromatográfica de DEAE-celulosa y su empleo para diferentes aplicaciones.
Más concretamente, se ha aislado la secuencia de nucleótidos (SEQ ID NO1) que corresponde a un gen estructural de S. mitis NCTC (226)^{T} que codifica una \beta-galactosidasa (EC 3.2.1.23) (localizada entre las posiciones 64190 y 71425). Se facilita la secuencia de aminoácidos (SEQ ID NO2) deducida de la secuencia de nucleótidos. La eliminación de los nucleótidos correspondientes al péptido señal de la \beta-galactosidasa en la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO1 origina la nueva secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3, correspondiente a la \beta-galactosidasa sin péptido señal. La secuencia SEQ ID NO4 es la secuencia de aminoácidos codificada por la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3.
Las secuencias de nucleótidos correspondientes a la \beta-galactosidasa con el péptido señal (SEQ ID NO1) y sin el péptido señal (SEQ ID NO3) se insertaron en el plásmido pUC19 para la creación de los plásmidos pBSF01 y pBSF02 que expresan, respectivamente, la \beta-galactosidasa con y sin péptido señal de S. mitis en un hospedador heterólogo. El plásmido pUC19 es comercial, tiene la capacidad de producir un alto número de copias y está compuesto por 2.686 pares de bases. Además, tiene una zona que confiere resistencia al antibiótico ampicilina, y otra zona que contiene el gen del regulador de la expresión de Lac Z.
El hospedador heterólogo utilizado es la cepa MC4100, de la especie E. coli, que carece de actividad \beta-galactosidasa por llevar una deleción completa del operón de la lactosa, obteniéndose como resultado final la cepa E. coli MC4100 (pBSF01 o pBSF02). De estas dos cepas, una de ellas, E. coli MC4100 (pBSF02) ha sido depositada en la Colección Española de Cultivos Tipo (CECT) con el nº de depósito 7433.
En el proceso de purificación de la \beta-galactosidasa sin péptido señal se utilizan columnas de afinidad de DEAE-celulosa, aprovechando la ventaja de disponer de una enzima con un módulo de unión a colina de forma natural. Con objeto de obtener un producto lo más purificado posible, y teniendo en cuenta el elevado peso molecular de la proteína recombinante, se empleó una columna cromatográfica preparativa de exclusión por tamaño.
En otro aspecto de la invención, los inventores han creado una \beta-galactosidasa en la que se han introducido seis restos de histidina en el extremo N-terminal de la proteína \beta-galactosidasa sin péptido señal, que denominaremos IMAC/\beta-galactosidasa en referencia al proceso cromatográfico de purificación (ver más adelante), cuya secuencia de nucleótidos es la SEQ ID NO5, que se corresponde con la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO6. Esta proteína modificada se puede purificar por cromatografía de afinidad a iones metálicos inmovilizados (IMAC, del inglés immobilized metal ion chromatography), consiguiendo una mejora en el rendimiento del proceso de purificación respecto al proceso de purificación de la \beta-galactosidasa sin péptido señal comentados previamente.
Los inventores insertaron esta secuencia SEQ ID NO5 en el plásmido pBSF02, obteniéndose como resultando el plásmido pHGM02. El hospedador heterólogo utilizado en esta ocasión fue nuevamente la cepa E. coli MC4100. Dicho hospedador se transformó con el plásmido pHGM02, obteniéndose como resultado final la cepa E. coli MC4100 (pHGM02). Esta cepa ha sido depositada en la CECT con el nº de depósito 7434, y produce la proteína IMAC/\beta-galactosidasa con poli-histidinas (SEQ ID NO6).
La producción y purificación de la proteína IMAC/\beta-galactosidasa se realizó mediante la obtención de extractos enriquecidos en la proteína siguiendo un procedimiento análogo al descrito previamente para la \beta-galactosidasa sin péptido señal. La purificación se realizó utilizando soportes cromatográficos IMAC comerciales.
A diferencia de lo que ocurre generalmente con otras \beta-galactosidasas, la actividad enzimática de las proteínas recombinantes descritas no se inhibe en presencia de elevadas concentraciones de glucosa, lo que hace que estas enzimas encuentren aplicación principalmente en el sector agroalimentario-sanitario, para la hidrólisis de \beta-galactósidos de mala digestibilidad presentes en diversos alimentos de gran consumo.
La enzima \beta-galactosidasa sin péptido señal, purificada en columnas cromatográficas de DEAE-celulosa y Sephacryl 300, presenta una actividad específica de 2.209 ó 956 U/mg en condiciones estándar (30ºC, 4 min de hidrólisis) cuando se usa ONPG o lactosa, respectivamente, como sustrato y conserva el 100% de su actividad ONPGasa inicial después de mantenerla 55 días a temperatura ambiente (sin estabilizadores).
Por lo tanto, un aspecto de la invención lo constituye una secuencia de nucleótidos (en adelante secuencia de nucleótidos de la invención) de la \beta-galactosidasa que comprende una de las secuencias pertenecientes al siguiente grupo:
a)
una secuencia de nucleótidos constituida por la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa (SEQ ID NO1),
b)
una secuencia de nucleótidos análoga a la secuencia de a),
c)
un fragmento de una cualquiera de las secuencias de a) y b).
d)
una secuencia de nucleótidos análoga a la secuencia de a), b) y c).
Tal como se utiliza en la presente invención el término "secuencia de nucleótidos" es una secuencia de ADN, ADNc o ARNm.
Un aspecto más particular de la invención lo constituye la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1.
Otro aspecto más particular de la invención lo constituye un fragmento de la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1 en la que el fragmento es la \beta-galactosidasa sin péptido señal SEQ ID NO3.
Otro aspecto más particular de la invención lo constituye una secuencia de nucleótidos SEQ ID NO5 que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3 y una secuencia de nucleótidos codificante de seis histidinas en el extremo N-terminal de la SEQ ID NO3.
En el sentido utilizado en esta descripción, el término "análoga" pretende incluir a cualquier secuencia de nucleótidos que pueda ser aislada o construida en base a la secuencia de nucleótidos mostrada en la SEQ. ID NO1, SEQ ID NO3 o SEQ ID NO5 por ejemplo, mediante la introducción de sustituciones de nucleótidos conservativas o no conservativas, incluyendo la inserción de uno o más nucleótidos, la adición de uno o más nucleótidos en cualquiera de los extremos de la molécula o la deleción de uno o más nucleótidos en cualquier extremo o en el interior de la secuencia.
En general, una secuencia de nucleótidos análoga es sustancialmente homologa a la secuencia de nucleótidos identificada como la SEQ ID NO1 o SEQ ID NO3 o SEQ ID NO5. En el sentido utilizado en esta descripción, la expresión "sustancialmente homologa" significa que las secuencias de nucleótidos en cuestión tienen un grado de identidad, a nivel de aminoácidos, de, al menos, un 60%, preferentemente de, al menos un 85%, o más preferentemente de, al menos, un 95%.
Una realización particular de la invención lo constituye una construcción genética (en adelante construcción genética de la invención) que comprende la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1, SEQ ID NO3 o SEQ IDNO5.
Esta construcción genética de la invención, también puede comprender, en caso necesario y para permitir un mejor aislamiento, detección o secreción al exterior de la célula del péptido de interés expresado, una secuencia de nucleótidos que codifica para un péptido susceptible de ser utilizado con fines de aislamiento, detección o secreción de dicho péptido. Por tanto, un objeto particular de la presente invención lo constituye una construcción genética de la invención que comprende cualquier otra secuencia de nucleótidos codificante de un péptido o secuencia peptídica que permita el aislamiento, la detección o la secreción al exterior de la célula del péptido expresado, por ejemplo, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, una secuencia peptídica reconocible por un anticuerpo monoclonal (por ejemplo, para su identificación, o cualquier otra que sirva para purificar la proteína de fusión resultante por cromatografía de inmunoafinidad: péptidos etiqueta tales como c-myc, HA, E-tag) (Using antibodies: a laboratory manual. Ed. Harlow and David Lañe (1999). Cold Spring Harbor Laboratory Press. New York. Capítulo: Tagging proteins. Pp. 347-377).
La construcción genética de la invención descrita previamente puede aislarse y obtenerse por un experto mediante el empleo de técnicas ampliamente conocidas en el estado de la técnica (Sambrook et al. ``Molecular cloning, a Laboratory Manual 2nd ed., Cold Sping Harbor Laboratory Press, N.Y., 1989 vol 1-3). Dichas secuencias de nucleótidos pueden estar integradas en un vector de expresión génica que permite la regulación de la expresión de la misma en condiciones adecuadas en el interior de las células.
Por tanto, otro aspecto de la invención lo constituye un vector de expresión (en adelante vector de expresión de la invención) que comprende la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1, SEQ ID NO3 o SEQ ID NO5.
Un aspecto más particular de la invención lo constituye un vector de expresión de la invención constituido por el plásmido pBSF01, pBSF02 o pHGM02.
En general, un vector de expresión comprende, además de la construcción genética descrita en la invención, un promotor que dirige su transcripción (por ejemplo, pT7, plac, ptrc, ptac, pBAD, ret, etc.), al que está operativamente enlazado, y otras secuencias necesarias o apropiadas que controlan y regulan dicha transcripción y, en su caso, la traducción del producto de interés, por ejemplo, señales de inicio y terminación de transcripción (tlt2, etc.), señal de poliadenilación, origen de replicación, secuencias de unión a ribosomas (RBS), secuencias codificantes de reguladores transcripcionales, (enhancers), silenciadores transcripcionales (silencers), represores, etc. Ejemplos de vectores de expresión apropiados pueden seleccionarse de acuerdo con las condiciones y necesidades de cada caso concreto entre plásmidos de expresión, vectores virales (ADN o ARN), cósmidos, cromosomas artificiales, etc. que pueden contener, además, marcadores utilizables para seleccionar las células transfectadas o transformadas con el gen o genes de interés. La elección del vector dependerá de la célula huésped y del tipo de uso que se quiera realizar. Por tanto, según un modo de realización particular de la presente invención dicho vector es un plásmido o un vector viral. La obtención de dicho vector puede realizarse por métodos convencionales conocidos por los técnicos en la materia al igual que para la transformación de microorganismos y células eucariotas se pueden utilizar diferentes métodos ampliamente conocidas - transformación química, electroporación, microinyección, etc. - descritos en diversos manuales [Sambrook, J., Fritsch, E.F., and Maniatis, T. (1989). Molecular cloning: a laboratory manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, N.Y.].
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Otro aspecto particular de la invención lo constituye una secuencia de aminoácidos \beta-galactosidasa (en adelante secuencia de aminoácidos de (a invención) que comprende una de las secuencias de aminoácidos pertenecientes al siguiente grupo:
a)
una secuencia de aminoácidos constituida por la secuencia de aminoácidos de la \beta-galactosidasa de S. mitis (SEQ ID NO2),
b)
una secuencia de aminoácidos análoga a la secuencia a),
c)
un fragmento cualquiera de las secuencias de a) y b),
d)
una secuencia de aminoácidos que comprende una secuencia cualquiera de a), b) y c).
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Un aspecto más particular de la invención lo constituye la secuencia de aminoácidos de la invención de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO2.
Otro aspecto más particular de la invención lo constituye un fragmento de la secuencia de aminoácidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO2 en la que el fragmento es la \beta-galactosidasa sin péptido señal SEQ ID NO4.
Otro aspecto más particular de la invención lo constituye una secuencia de aminoácidos SEQ ID NO6 que comprende la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO4 y una secuencia de seis histidinas en el extremo N-terminal de la SEQ ID NO4.
Otro aspecto de la invención lo constituye un uso de la secuencia de aminoácidos de la invención (SEQ ID NO2, SEQ ID NO4 o SEQ ID NO6) en la reducción del contenido de lactosa en alimentos o residuos de procesos alimentarios pertenecientes, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: productos lácteos y derivados, sueros de lechería.
Otro aspecto de la invención lo constituye una célula huésped, en adelante célula huésped de la invención, que comprende la construcción genética o el vector de expresión de la invención, preferentemente una célula procariota.
Una realización particular de la invención lo constituye una célula huésped de la invención constituida por una célula E. coli, preferentemente células E. coli MC4100.
Otra realización particular de la invención lo constituye una célula huésped de la invención constituida por células de la cepa E. coli con el número de depósito CECT 7433 o 7434.
Otro aspecto de la invención lo constituye el uso de la célula huésped de la invención en la reducción del contenido de lactosa en alimentos o residuos de procesos alimentarios pertenecientes, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: productos lácteos y derivados, sueros de lechería.
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Otro aspecto de la invención lo constituye un procedimiento de obtención (en adelante procedimiento de obtención de la \beta-galactosidasa de la invención) de la secuencia de aminoácidos de la invención SEQ ID NO2 que comprende las siguientes etapas:
a)
obtención de una construcción genética que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO1, y del vector de expresión que comprende esta construcción genética,
b)
transformación de una célula huésped, preferentemente de E. coli, en la que la construcción genética o el vector de expresión de a) bajo control de los promotores adecuados expresa la proteína codificada por la SEQ ID NO1, y purificación del extracto crudo de las células,
c)
inmovilización de la proteína en matrices de DEAE-celulosa mediante el paso del extracto crudo de b) a través de la matriz,
d)
disociación de la proteína de la matriz cromatográfica mediante lavado de la matriz con un medio que comprende colina,
\quad
y, opcionalmente
e)
posterior purificación de la proteína mediante el paso del eluído de d) a través de una matriz cromatográfica de exclusión por tamaño.
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Otro aspecto más particular de la invención lo constituye un procedimiento de obtención de \beta-galactosidasa de la invención en el que la secuencia de nucleótidos de a) es la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3.
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Otro aspecto particular de la invención lo constituye un procedimiento de obtención de la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO6 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a)
obtención de una construcción genética que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO5, y del vector de expresión que comprende esta construcción genética,
b)
transformación de una célula huésped, preferentemente de E. coli, en la que la construcción genética o el vector de expresión de a) bajo control de los promotores adecuados expresa la proteína codificada por la SEQ ID NO5, y purificación del extracto crudo de las células,
c)
inmovilización de la proteína en matrices de cromatografía de afinidad a iones metálicos inmovilizados mediante el paso del extracto crudo de b) a través de la matriz,
d)
disociación de la proteína de la matriz cromatográfica mediante lavado de la matriz con un medio que comprende imidazol.
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Ejemplos de realización
Ejemplo 1
Identificación de la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa de S. mitis
La secuencia del genoma de la cepa tipo de S. mitis NCTC (226)^{T} se conoce sólo en fragmentos no ordenados (llamados contigs). El análisis in silico de las correspondientes fases de lectura abierta permitió deducir la existencia de, al menos, 14 proteínas de unión a colina. Una de ellas codificaba una proteína de 2411 aminoácidos, con un posible péptido señal, alta similitud con otras \beta-galactosidasas, y que presentaba 5 motivos repetidos de unión a colina. Estos resultados sugirieron que la proteína podría tratarse de una \beta-galactosidasa extracelular probablemente diseñada para realizar su función en la envuelta celular, y que poseería características diferentes y especiales con respecto a otras \beta-galactosidasas intracelulares.
\newpage
Ejemplo 2
Expresión de la proteína recombinante \beta-galactosidasa con y sin péptido señal 2.1.- Construcción de plásmidos para expresar la proteína \beta-galactosidasa de S. mitis en el hospedador E. coli MC4100 (Figura 1)
Los plásmidos construidos se denominan pBSF01 (con péptido señal) y pBSF02 (sin péptido señal) y para su realización se utilizaron técnicas de ADN recombinante convencionales [Sambrook, J., Fritsch, E.F. y Maniatis, T. 1989. Molecular Cloning. CSHL Press, Cold Spring Harbor, Nueva York].
En primer lugar se extrajo el ADN de S. mitis, y tras su purificación, se amplificó la secuencia adecuada mediante la técnica de PCR.
Para llevar a cabo la amplificación de la parte de ADN de interés, se eligieron unos oligonucleótidos cebadores para que la polimerasa actuara a partir de las posiciones deseadas. Se utilizaron 2 oligonucleótidos diferentes en el sentido 5-3', uno incluyendo la parte del péptido señal, y el otro sin ella. Además, en los cebadores se incluyeron secuencias de restricción para posteriormente fragmentar el producto amplificado por los sitios adecuados y unirlo posteriormente al vector de expresión.
Se eligió introducir una secuencia de corte para XbaI en el cebador 5'-3' y EcoRV en el cebador 3'-5', puesto que no hay sitios de corte para estas enzimas de restricción en el gen. Además, se introdujo la secuencia que determina el sitio de unión del ribosoma (ribosome binding site, RBS), y codones STOP en las lecturas desfasadas de la secuencia de interés. Finalmente, también se introdujo el codón ATG, que codifica el aminoácido metionina, que indica el inicio del gen.
Después de purificar el producto de PCR obtenido con los oligonucleótidos mencionados con un kit de purificación se realizó la digestión con las enzimas de restricción XbaI y EcoRV.
Para construir los plásmidos recombinantes (pBSF01 y pBSF02) se partió del plásmido pUC19. El plásmido pUC19 se cortó con las enzimas de restricción adecuadas (XbaI y SmaI), para su posterior ligación al inserto del gen de la \beta-galactosidasa.
Los productos de la digestión del plásmido y del gen amplificado de la \beta-galactosidasa se purificaron en un gel de agarosa y con un kit de purificación de ADN.
Los productos purificados de la digestión del plásmido y del gen amplificado de \beta-galactosidasa se unieron covalentemente con ADN ligasa. Con la mezcla de ligación antedicha se transformaron células competentes de E. coli MC4100. El plásmido resultante, que se denominó pBSF02, hace que las células que lo portan sean resistentes a ampicilina, y es capaz de expresar actividad \beta-galactosidasa correspondiente al gen estructural de S. mitis, SEQ ID NO1.
De los varios clones ensayados se eligió el más productivo, que es el clon de E. coli MC4100 (pBSF02) depositado en la CECT con el nº de depósito 7433.
El plaqueo de las células competentes de E. coli MC4100 (pBSF02) se hizo en agar LB con ampicilina, X-Gal (5-Bromo-4-cloro-3-indolil-\beta-D-galactopiranósido) e IPTG (isopropil-\beta-D-1-tiogalactopiranósido), incubándose a 37ºC. Se escogió una colonia azul.
Tal colonia se reaisló y se hizo una minipreparación de su ADN plasmídico. Tras comprobar que el patrón de restricción con diversas enzimas era el esperado, se hizo una verificación final mediante secuenciación.
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2.2.- Producción de la proteína recombinante \beta-galactosidasa sin péptido señal
De las placas con las colonias azules del clon antes mencionado, se eligió una suficientemente aislada, que se inoculó en medio de cultivo LB con ampicilina (100 \mug/ml) y se cultivó toda la noche a 37ºC con agitación a 250 rpm. Al día siguiente, un volumen adecuado del cultivo crecido se diluyó en medio LB con ampicilina (100 \mug/ml) e IPTG (1.0x10^{-4} M) y se dejó crecer durante toda la noche. Tras medir su densidad óptica a 600 nm, el cultivo se centrifugó a 8000 rpm durante 10 minutos a 4ºC. Las células de E. coli MC4100 (pBSF02) cosechadas por centrifugación y resuspendidas en un volumen menor del original de tampón fosfato sódico 20 mM (pH 6.9), como método de concentración, se ultrasonicaron para romperlas. Tras una centrifugación adicional, que separa restos celulares, se obtuvo un sobrenadante claro con elevada actividad \beta-galactosidasa.
\newpage
Ejemplo 3
Purificación de la proteína recombinante \beta-galactosidasa sin péptido señal
Obtenido el extracto crudo se siguió su purificación, en una columna cromatográfica de afinidad de DEAE-celulosa [J.M. Sánchez-Puelles, J.M. Sanz, J.L. García, E. García. 1992 "Immobilization and single-step purification of fusión proteins using DEAE-cellulose" Eur. J. Biochem., 203, 153-159]. Después de cargar el extracto (\sim 12.5 mg de proteína por mL de soporte empaquetado) se lavó con tampón fosfato 20 mM pH 6.9. A continuación se eluyó por la columna tampón salino (fosfato 20 mM, pH 6,9 con 1,5 M NaCl) y se recogieron las fracciones de interés con un colector, cuando se hizo pasar por la columna tampón con colina (fosfato 20 mM, pH 6,9, con 1,5 M NaCl y 2%
colina).
Para comprobar la eficacia del proceso de purificación, se realizaron electroforesis en geles de poliacrilamida en presencia de SDS (7.5%) y ensayos de actividad \beta-galactosidasa y determinación de proteínas por el método de Bradford.
Para mejorar la pureza del producto final se utilizó una columna cromatográfica de afinidad por exclusión de tamaño. Tras equilibrar la columna (90x30 cm, Sephacryl-300) con tampón fosfato 20 mM pH 6.9, se cargó el extracto semipurificado y empleando la misma disolución reguladora y con ayuda de una bomba peristáltica (con un flujo de 0.2 mL/min) se recogieron las fracciones de interés. La enzima purificada se guardó a -20ºC.
Experimentos de ultracentrifugación analítica demostraron que la enzima recombinante purificada era monomérica (en tampón fosfato 20 mM, pH 6.9, conteniendo 50 mM de NaCl, en ausencia y en presencia de 2% de colina).
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Ejemplo 4
Expresión y purificación de la proteína recombinante con poli-histidinas (IMAC/\beta-galactosidasa) 4.1.- Construcción de un plásmido para expresar la proteína \beta-galactosidasa de S. mitis con poli-histidinas (IMAC/\beta-galactosidasa) (Figura 3)
El plásmido construido se denomina pHGM02 y para su construcción se emplearon protocolos convencionales, partiendo del plásmido pBSF02. Con el fin de introducir los 6 residuos de histidinas en la región N-terminal se realizó la amplificación de una región de 758 bp del plásmido recombinante pBSF02 con los oligonucleótidos adecuados. En estos oligonucleótidos se incluyeron secuencias de restricción para posteriormente fragmentar el producto amplificado por los sitios adecuados, para su posterior unión al vector de expresión.
Se ha elegido introducir una secuencia de corte para XbaI en un oligonucleótido y SpeI en el otro, puesto que estas enzimas cortan cohesivamente y en posición única el gen de la \beta-galactosidasa de S. mitis pero no el pUC19. Además, se introdujo la secuencia que determina el sitio de unión del ribosoma (ribosome binding site, RBS), y codones STOP en las lecturas desfasadas de la secuencia de interés. Finalmente, también se introdujo el codón ATG, que codifica el aminoácido metionina, que indica el inicio del gen.
El fragmento PCR obtenido se purificó y se ligó al vector de clonación pGEMT-Easy (Promega). La selección del plásmido portador del inserto y las posteriores manipulaciones para obtener el plásmido recombinante pHGM02 fueron similares a las explicadas en el ejemplo 2.1 y siguieron el esquema que se explica en Figura 3.
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4.2.- Producción de la proteína recombinante IMAC/\beta-galactosidasa
Para producir la proteína IMAC/\beta-galactosidasa se siguió un procedimiento análogo al descrito para la producción de la \beta-galactosidasa sin péptido señal (ejemplo 2.2). Además, se realizaron estudios bioquímicos comparativos entre ambas proteínas, encontrándose resultados similares a nivel de expresión y características bioquímicas.
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4.3.- Purificación de la proteína recombinante IMAC/\beta-galactosidasa
En el proceso de purificación se utilizaron columnas IMAC, en cartuchos comerciales (BioRad) siguiendo el protocolo recomendado. La adsorción de la proteína al soporte se realizó a pH 6.9 y 25ºC. Seguidamente se realizó la desorción de la proteína del soporte, usando concentraciones crecientes de imidazol (desde 5 hasta 250 mM), encontrando que a 200 mM eluía el 100% de la enzima de S. mitis.
Para comprobar la eficacia del proceso de purificación, se realizaron electroforesis en geles de poliacrilamida en presencia de SDS (7.5%) y ensayos de actividad \beta-galactosidasa y determinación de proteínas por el método de Bradford. La muestra correspondiente a la proteína purificada tras separación electroforética se muestra en la
Figura 4.
Ejemplo 5
Caracterización de la actividad enzimática
Las actividades enzimáticas de las dos proteínas recombinantes purificadas, la \beta-galactosidasa sin péptido señal (codificada por el plásmido pBSF02) y la IMAC/\beta-galactosidasa (codificada por el plásmido pHGM02), fueron similares en términos de actividad específica.
A continuación se presentan los resultados obtenidos a la actividad enzimática de la enzima \beta-galactosidasa sin péptido señal:
1.
Sustratos: Hidroliza ONPG con una actividad específica de 2.209 unidades a pH 6,5 y a 30ºC. Hidroliza lactosa con una actividad específica de 956 unidades. (Se refieren a las unidades definidas en el ejemplo 1).
2.
pH de la reacción: El pH óptimo de la hidrólisis se sitúa entre el 5,5 y 6,5. Se detecta claramente actividad en un rango de pH de 5,5 a 7,5.
3.
Temperatura óptima: se alcanzó el máximo de actividad entre 35-40ºC a pH 7,0.
4.
Termoestabilidad: La enzima soluble conserva el 79% de la actividad después de un calentamiento de 5 minutos a 40ºC y pH 7,0, y pierde totalmente su actividad enzimática después de calentarla 5 min a 42,5ºC y pH 7,0.
5.
Inhibición por productos de reacción: En los ensayos con la enzima soluble a 30ºC y pH 6,5, se conserva el 100% de la actividad de la enzima en presencia de 200 mM de glucosa. La galactosa, a una concentración de 10 mM, disminuye la actividad en un 64%.
6.
Conservación. La enzima soluble se puede conservar a temperatura ambiente (sin estabilizadores) durante al menos 55 días, reteniendo el 100% de su actividad inicial.
Descripción de las figuras
Figura 1.- Esquema del método seguido para construir los plásmidos que contienen el gen de la \beta-galactosidasa con y sin péptido señal del microorganismo S. mitis . Se representan sólo los aspectos más relevantes de los plásmidos. Para detalles, ver el texto (ejemplo 2). Sólo se indican los sitios de restricción y las estructuras más importantes para poder comprender mejor el esquema. La flecha gruesa representa el gen estructural que codifica la \beta-galactosidasa de S. mitis. Rectángulo negro: Péptido señal. PCR: Reacción en cadena de la polimerasa SMC: Sitio múltiple de clonación.
Figura 2.- Secuencias de oligonucleótidos utilizados en los experimentos de PCR. A) Oligonucleótido utilizado para la construcción del plásmido pBSF01 (1 en Figura 1). B) Oligonucleótido utilizado para la construcción del plásmido pBSF02 (2 en Figura 1). C) Oligonucleótido utilizado para la construcción de los plásmidos pBSF01 y pBSF02 (3 en Figura 1). D) Oligonucleótido utilizado para la construcción del plásmido pHGM02 (4 en Figura 3). E) Oligonucleótido utilizado para la construcción del plásmido pHGM02 (5 en Figura 3).
Figura 3.- Esquema del método seguido para construir un plásmido que contine el gen de la IMAC/\beta-galactosidasa del microorganismo S. mitis . Se representan sólo los genes más relevantes de los plásmidos. Para detalles, ver el texto (ejemplo 4). Sólo se indican los sitios de restricción y las estructuras más importantes para poder comprender mejor el esquema. La flecha gruesa representa el gen estructural que codifica la \beta-galactosidasa de S. mitis. PCR: Reacción en cadena de la polimerasa.
Figura 4.- Análisis de proteínas por electroforesis en geles de poliacrilamida en condiciones desnaturalizantes al 7,5% (SDS-PAGE). Calle x, proteínas marcadoras de peso molecular, indicadas en el margen izquierdo, en kDa. Calle y, \beta-galactosidasa sin péptido señal de S. mitis purificada por DEAE-celulosa y Sephacryl S-300. Calle z, IMAC/\beta-galactosidasa de S. mitis purificada por IMAC.
<110> CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS
\hskip1cm
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
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<120> SECUENCIAS DE NUCLEÓTIDOS Y PROTEÍNAS DE LA BETA-GALACTOSIDASA DE STREPTOCOCCUS MITIS, PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN Y SUS APLICACIONES
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\vskip0.400000\baselineskip
<130> beta-gal
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<160> 6
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<170> PatentIn version 3.3
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<210> 1
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<211> 7266
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<212> DNA
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<213> Streptococcus mitis
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<220>
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<221> CDS
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<222> (31)..(7263)
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<223> beta-galactosidasa
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (6898)..(6957)
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<223> Motivo de unión a colina 1
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (6958)..(7017)
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<223> Motivo de unión a colina 2
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (7018)..(7083)
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<223> Motivo de unión a colina 3
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (7084)..(7149)
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<223> Motivo de unión a colina 4
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (7150)..(7215)
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<223> Motivo de unión a colina 5
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<400> 1
1
3
4
5
6
7
8
9
10
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13
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15
16
17
18
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<210> 2
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<211> 2411
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<212> PRT
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<213> Streptococcus mitis
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<400> 2
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19
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21
22
23
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25
26
27
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29
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<210> 3
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<211> 7101
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<212> DNA
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<213> Artificial
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<220>
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<223> beta-galactosidasa sin péptido señal
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(7101)
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<223> beta-galactosidasa sin péptido señal
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<400> 3
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31
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40
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<210> 4
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<211> 2366
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<212> PRT
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<213> Artificial
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<220>
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<223> Synthetic Construct
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<400> 4
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56
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<210> 5
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<211> 7119
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<212> DNA
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<213> Artificial
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<220>
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<223> beta-galactosidasa sin péptido señal con poli-histidina
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(7119)
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<223> beta-galactosidasa sin péptido señal con poli-histidina
\vskip1.000000\baselineskip
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (4)..(21)
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<223> Etiqueta poli-his
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<400> 5
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<210> 6
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<211> 2372
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<212> PRT
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<213> Artificial
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<220>
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<223> Synthetic Construct
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<400> 6
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75
76
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78
79
80
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83
84

Claims (21)

1. Secuencia de nucleótidos caracterizada porque comprende una de las secuencias pertenecientes al siguiente grupo:
a)
una secuencia de nucleótidos constituida por la secuencia de nucleótidos de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1,
b)
una secuencia de nucleótidos análoga a la secuencia de a),
c)
un fragmento de una cualquiera de las secuencias de a) y b).
d)
una secuencia de nucleótidos análoga a la secuencia de a), b) y c).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Secuencia de nucleótidos según la reivindicación 1 caracterizada porque es la secuencia de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO1.
3. Secuencia de nucleótidos según reivindicación 1 caracterizada porque la secuencia de nucléotidos de c) es un fragmento de la \beta-galactosidasa sin péptido señal (SEQ ID NO3).
4. Secuencia de nucleótidos según reivindicación 1 caracterizada porque es la secuencia SEQ ID NO5, que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3 y una secuencia de nucleótidos codificante de seis histidinas en el extremo N-terminal de la SEQ ID NO3.
5. Secuencia de nucleótidos según reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque es una secuencia de ADN, ADNc o ARNm.
6. Construcción genética caracterizada porque comprende una secuencia de nucleótidos según reivindicaciones 1 a 5.
7. Vector de expresión caracterizado porque comprende una secuencia de nucleótidos según reivindicaciones 1 a 6.
8. Vector de expresión según la reivindicación 7 caracterizado porque el vector de expresión es el plásmido pBSF01, pBSF02 o pHGM02.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Secuencia de aminoácidos caracterizada porque comprende una de las secuencias de aminoácidos pertenecientes al siguiente grupo:
a)
una secuencia de aminoácidos constituida por la secuencia de aminoácidos de la \beta-galactosidasa de S. mitis (SEQ ID NO2),
b)
una secuencia de aminoácidos análoga a la secuencia a),
c)
un fragmento cualquiera de las secuencias de a) y b),
d)
una secuencia de aminoácidos que comprende una secuencia cualquiera de a), b) y c).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Secuencia de aminoácidos según reivindicación 9 caracterizada porque es la secuencia de la \beta-galactosidasa SEQ ID NO2.
11. Secuencia de aminoácidos según reivindicación 9 caracterizada porque la secuencia de aminoácidos de c) es un fragmento de la \beta-galactosidasa sin péptido señal (SEQ ID NO4).
12. Secuencia de aminoácidos según reivindicación 9 caracterizada porque es la secuencia de la \beta-galactosidasa modificada SEQ ID NO6, que comprende la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO4 y una secuencia de seis histidinas en el extremo N-terminal de la SEQ ID NO4.
13. Uso de la secuencia de aminoácidos según reivindicaciones 9 a 12 en la reducción del contenido de lactosa en alimentos o residuos de procesos alimentarios pertenecientes, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: productos lácteos y derivados, sueros de lechería.
14. Célula huésped, preferentemente procariota, caracterizada porque comprende una construcción genética según reivindicaciones 1 a 6.
15. Célula huésped, preferentemente procariota, caracterizada porque comprende el vector de expresión según reivindicaciones 7 a 8.
16. Célula huésped según reivindicaciones 14 y 15 caracterizada porque es una célula de Escherichia coli, preferentemente células E. coli MC4100.
17. Célula huésped según reivindicación 16 caracterizada porque es una célula de la cepa E. coli con el número de depósito CECT 7433 o E. coli con el número de depósito CECT 7434.
18. Uso de la célula huésped según reivindicaciones 14 a 17 en la reducción del contenido de lactosa en alimentos o residuos de procesos alimentarios pertenecientes, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: productos lácteos y derivados, sueros de lechería.
\vskip1.000000\baselineskip
19. Procedimiento de obtención de la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO2 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a)
obtención de una construcción genética que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO1, y del vector de expresión que comprende esta construcción genética,
b)
transformación de una célula huésped, preferentemente de E. coli, en la que la construcción genética o el vector de expresión de a) bajo control de los promotores adecuados expresa la proteína codificada por la SEQ ID NO1, y purificación del extracto crudo de las células,
c)
inmovilización de la proteína en matrices de DEAE-celulosa mediante el paso del extracto crudo de b) a través de la matriz,
d)
disociación de la proteína de la matriz cromatográfica mediante lavado de la matriz con un medio que comprende colina,
\quad
y, opcionalmente
e)
posterior purificación de la proteína mediante el paso del eluído de d) a través de una matriz cromatográfica de exclusión por tamaño.
\vskip1.000000\baselineskip
20. Procedimiento de obtención según reivindicación 19 caracterizado porque la secuencia de nucleótidos de a) es la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO3.
\vskip1.000000\baselineskip
21. Procedimiento de obtención de la secuencia de aminoácidos SEQ ID NO6 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a)
obtención de una construcción genética que comprende la secuencia de nucleótidos SEQ ID NO5, y del vector de expresión que comprende esta construcción genética,
b)
transformación de una célula huésped, preferentemente de E. coli, en la que la construcción genética o el vector de expresión de a) bajo control de los promotores adecuados expresa la proteína codificada por la SEQ ID NO5, y purificación del extracto crudo de las células,
c)
inmovilización de la proteína en matrices de cromatografía de afinidad a iones metálicos inmovilizados mediante el paso del extracto crudo de b) a través de la matriz,
d)
disociación de la proteína de la matriz cromatográfica mediante lavado de la matriz con un medio que comprende imidazol.
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