TÍTULO
SECUENCIAS, VECTORES Y CÉLULAS GTF Y SUS APLICACIONES EN EL SECTOR ALIMENTARIO
SECTOR DE LA TÉCNICA
Biotecnología para el sector alimentario. Más concretamente, fermentación de alimentos y bebidas, y en concreto obtención de microorganismos productores de exopolisacáridos (β- glucanos) y de aditivos alimentarios.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los exopolisacáridos (EPS) secretados por diversas bacterias tienen un papel importante como factores de adherencia, en las interacciones de las bacterias con las plantas como moléculas señalizadoras o como agentes protectores frente a situaciones de estrés o infecciones por fagos (van Kranenburg y cois. (1999) Curr. Opin. Biotech. 10: 498-504). Los EPS son producidos tanto por bacterias Gram -negativas como Gram-positivas. Algunos de estos polímeros poseen propiedades únicas que les hacen idóneos para ser utilizados como agentes estabilizadores, espesantes, gelificadores y emulsionantes. Se utilizan como aditivos en Ia fabricación de numerosos alimentos como derivados lácteos (yogures, batidos y helados), zumos y preparados a base de cereales. Entre los EPS más representativos producidos por las bacterias Gram-negativas podemos citar el xantano, producido por Xanthomonas campestris y empleado en cosmética en forma de goma como espesante, estabilizador y agente de suspensión (Becker y cois. (1998) Appl. Microbiol. Biotechnol. 50: 145-152). También el acetano, producido por Acetobacter xylinum es utilizado para Ia producción de sucedáneos de Ia nata y del vinagre (Sutherland (1998) Trends Biotechnol. 16:41-46). Además, polisacáridos capsulares producidos por Sphingomonas, que poseen propiedades reológicas son utilizados como agentes estabilizadores de los alimentos (Sutherland (1998) Trends Biotechnol. 16: 41-46).
Las bacterias Gram-positivas y específicamente las bacterias ácido-lácticas (LAB) producen varios EPS de interés industrial. Un claro ejemplo son los dextranos producidos por Leuconostoc mesenteroides, empleados en Ia síntesis de matrices utilizadas en técnicas de cromatografía, pare el recubrimiento de superficies metálicas o para estabilizar jarabes. Además, algunas estirpes de LAB pertenecientes a los géneros Streptococcus, Lactobacillus y Lactococcus producen EPSs que están siendo utilizadas in situ para mejorar Ia textura de productos fermentados como el yogourt y el queso (de Vos (1999) Curr. Opin. Biotech. 10: 483-484). Sin embargo, en Ia actualidad Ia producción a gran escala de los EPSs de LAB es restringida debido a los bajos nivel producidos
(40-800 mg M de cultivo) en comparación con Xanthomonas campestris que puede producir de 10 a 25 g M o convertir del 60 al 70% del azúcar sustrato en xantano por cultivo continuo.
Por otra parte, se han realizado estudios que indican que los EPS producidos por las LAB poseen efectos beneficiosos para Ia salud humana como estimuladores del sistema inmunitario y por ello se ha propuesto Ia utilización de las estirpes productoras para obtener alimentos funcionales (JoIIy y cois. (2002) Antonie van Leeuwenhoek 82: 367-374). Además, algunos de los EPSs son β-glucanos y existen evidencias de que estos homopolisacáridos contribuyen a disminuir los niveles de colesterol sérico (Behall y cois. (1997) J. Am. College Nutr. 16:64-51. De ahi el interés de incorporar los β-glucanos a alimentos y preparados dietéticos y Ia necesidad de disponer de métodos eficientes para su producción a gran escala.
La caracterización estructural de los EPSs producidos por las estirpes aisladas de sidra P. damnosus 2.6 (Dueñas y cols.(1998) Carbohidr. Res. 303: 453-458), Lactobacillus sp. G77 (Dueñas y cois. (1997) Carbohidr. Res. 307: 125-133) y Oenococcus oeni 14 (resultados no publicados) revelaron que todas ellas sintetizan el mismo homopolisacárido del tipo β-D-glucano. Además, se ha demostrado, que tanto P. damnosus 2.6 como Lactobacillus sp. G77 pueden crecer y producir EPS durante Ia elaboración de alimentos fermentados basados en Ia avena, mejorando sus cualidades organolépticas (Olof Mártensson y cois. (2002) Nutrition Research 22: 1461 -1473).
En Ia actualidad, una elevada proporción de Ia población mundial adulta presenta intolerancia a Ia lactosa y se está creando una conciencia social sobre las reacciones alérgicas producidas por Ia leche y por Ia soja. La avena es un cereal que posee un alto valor nutritivo debido a su contenido en proteínas, vitamina E, ácidos grasos insaturados y minerales esenciales. Además, contiene un 4-6% de β-glucanos, que reducen los niveles de colesterol sérico en los seres humanos. Este efecto ha sido constatado en estudios clínicos sobre ingestión de alimentos basados en avena (ver detalles en htpp//www.adavena.com) y de hecho Ia FDA (Food and Drug Administration, USA) ha autorizado el etiquetado de "producto beneficioso para Ia salud" en preparados alimenticios basados en avena que contienen 0.75 g de fibra soluble (β glucano). La empresa Cereal Base (CEBA) (Lund, Suecia) está especializada en Ia producción de alimentos basados en cereales como alternativa a los productos lácteos. Ha desarrollado una tecnología denominada Adavena que ha permitido Ia obtención de una leche de avena con Ia que elabora productos como sucedáneos de yogures, postres lácteos, helados, etc. fermentados con LAB (Mártensson et al., 2002). Las propiedades nutritivas y dietéticas de estos preparados mejoran si se aumenta el contenido en β-glucanos de estos preparados, incorporando las bacterias productoras o bien por adición directa de esos polímeros.
Sin embargo, no se conocen los genes o vías metabólicas implicadas en esta producción de β-glucanos en microorganismos de potencial utilización en el sector alimentario.
DESCRIPCIÓN Descripción breve
Un objeto de Ia presente invención Io constituye una secuencia de DNA, en adelante secuencia de DNA gtí de Ia presente invención, proveniente de bacterias ácido lácticas GRAS
(Generally Recognized as Safe) y codificante de una proteina con actividad glicosiltransferasa que permite Ia producción de exopolisacaridos (EPS) y que está constituida por una de las secuencias de nucleótidos seleccionada entre: a) Ia secuencia de nucleótidos identificada como SEQ ID N09 o un fragmento de Ia misma; y b) una secuencia de nucleótidos análoga a Ia secuencia definida en a).
La invención también se refiere a un vector de expresión GTF que comprende Ia secuencia de DNA GTF de Ia invención, en adelante vector de expresión GTF de Ia invención, y que permite Ia transformación de microorganismos o células y Ia posterior obtención de microorganismos capaces de expresar Ia proteina GTF (SEQ ID N06) y que permita al huésped adquirir Ia capacidad, o mejorar Ia ya existente, de producir EPS.
Otro objeto de Ia presente invención es el uso de Ia secuencia de DNA GTF o del vector de expresión GTF en un proceso de transformación celular para Ia obtención de células GTF.
Otro objeto de Ia presente invención Io constituye una proteina con actividad glicosiltransferasa que está constituida por una de las secuencias de aminoácidos seleccionada entre: a) Ia secuencia de aminoácidos identificada como SEQ ID N06 o un fragmento de Ia misma; y b) una secuencia de aminoácidos análoga a Ia secuencia definida en a).
Otro objeto de Ia invención Io constituye una célula, en adelante célula GTF de Ia presente invención, que comprende una secuencia de DNA GTF o un vector de expresión pGTF de Ia invención, capaz de expresar de forma recombinante Ia proteina GTF (SEQ ID N06) y que, por Io tanto, adquiere Ia capacidad, o mejora Ia ya existente, de producir EPS.
Otro objeto de Ia presente invención Io constituye el uso de las células GTF para producir EPSs mediante un procedimiento que comprende:
a) el crecimiento de Ia célula GTF en un medio adecuado y en condiciones que permitan Ia expresión del vector de expresión GTF o de Ia secuencia de DNA GTF, b) Ia producción de EPSs por Ia célula GTF de a), y c) Ia purificación de los EPS de b) Finalmente, otro objeto de Ia presente invención Io constituye el uso de las células GTF en procesos de fermentación de alimentos, entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención, pertenecientes al siguiente grupo: productos lácteos, bebidas alcohólicas y avena.
Descripción detallada
La invención se enfrenta con el problema de proporcionar nuevas herramientas genéticas y biológicas que permitan Ia expresión de nuevas enzimas útiles para Ia producción de EPSs y Ia generación de microorganismos de valor industrial.
La solución proporcionada por esta invención se basa en que los inventores han identificado un gen gti codificante de una enzima con actividad glicosiltransferasa (GTF), a partir de material genómico de Pedioccocus damnosus 2.6. La expresión recombinante de este gen en
Streptococcus pneumoniae y en Lactococcus lactis demostró Ia actividad glicosiltrasferasa de Ia enzima codificada por dicho gen, asi como Ia posibilidad de transformar con éxito bacterias Gram- positivas, incluyendo bacterias ácido lácticas, con dicho gen que adquieren Ia capacidad de su expresión. Las cepas de bacterias lácticas pueden ser útiles para Ia obtención de EPSs para su uso posterior como aditivo en el sector alimentario, y, además, su posterior manipulación genética para conferirlas calidad GRAS puede permitir el uso de las mismas para Ia transformación de alimentos con nuevas propiedades. La sobreproducción de Ia GTF con actividad glicosiltransferasa podría permitir obtener dichos polímeros a gran escala para su incorporación como aditivos a alimentos y preparados dietéticos que poseen propiedades beneficiosas para Ia salud humana.
La comparación de Ia secuencia de dicho gen gtí con las depositadas en las bases de datos mostró Ia ausencia de homologías significativas. Sin embargo, al comparar Ia secuencia de Ia proteína GTF producto del gen gtf se observó que es homologa a las glicosiltranferasas de Ia familia COG1215. Además, Ia proteína GTF presenta una homología relativamente elevada (34%) con Ia proteína Tts de Streptococus pneumoniae, una glicosiltransferasa que es el único enzima requerido para Ia biosíntesis y secreción de un β-D-glucano similar al de P. damnosus (LIuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24: 21053-21061). Esta característica se contrapone con los complejos operones (compuestos por unos 10 genes) que codifican las proteínas requeridas para Ia síntesis
y secreción de los heteropolisacáridos y homopolisacáridos bacterianos utilizados actualmente a nivel industrial (JoIIy y Stingele (2001) Int. Dairy J. 11 : 733-745) y representa una clara e importante ventaja técnica. En consecuencia, una proteina con características similares a Ia Tts, pero proveniente de un microorganismo no patógeno y con calidad alimentaria tendría un potencial para Ia producción de β-D-glucanos por manipulación genética y de interés industrial.
El mismo equipo investigador ha observado, mediante Ia caracterización por PCR del gen gtf en distintas estirpes bacteriana productoras de β-D-glucano, de homo- o hetero-polisacáridos, que Ia proteina GTF está implicada específicamente en Ia biosintesis de homopolisacaráridos constituidos por β-D-glucano y no otro tipo de homo- o hetero-polisacáridos (ver solicitud de patente española "PROCEDIMENTO DE DETECCIÓN MOLECULAR DE BACTERIAS ÁCIDO LÁCTICAS PRODUCTORAS DE β-GLUCANOS" (2004)).
Asi, un objeto de Ia presente invención Io constituye una secuencia de DNA, en adelante secuencia de DNA GTF de Ia presente invención, proveniente de bacterias ácido lácticas GRAS y codificante de una proteina con actividad glicosiltransferasa que permite Ia producción de exopolisacaridos y que está constituida por una de las secuencias de nucleótidos seleccionada entre: a) Ia secuencia de nucleótidos identificada como SEQ ID NO9 o un fragmento de Ia misma; y b) una secuencia de nucleótidos análoga a Ia secuencia definida en a). En el sentido utilizado en esta descripción, el término "análoga" pretende incluir a cualquier secuencia de DNA que pueda ser aislada o construida en base a Ia secuencia de nucleótidos mostrada en Ia SEQ. ID NO9, por ejemplo, mediante Ia introducción de sustituciones de nucleótidos conservativas o no conservativas, incluyendo Ia inserción de uno o más nucleótidos, Ia adición de uno o más nucleótidos en cualquiera de los extremos de Ia molécula o Ia deleción de uno o más nucleótidos en cualquier extremo o en el interior de Ia secuencia.
En general, una secuencia de DNA análoga es sustancialmente homologa a Ia secuencia de nucleótidos identificada como Ia SEQ ID NO9. En el sentido utilizado en esta descripción, Ia expresión "sustancialmente homologa" significa que las secuencias de nucleótidos en cuestión tienen un grado de identidad, a nivel de nucleótidos, de, al menos, un 60%, preferentemente de, al menos un 85%, o más preferentemente de, al menos, un 95%.
La molécula de DNA GTF de Ia invención procede de P. damnosus 2.6 y puede encontrarse en formas parecidas en otros microorganismos, entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención: Lactobacillus sp. y Oenococcus oeni, donde pueden estar de
forma natural o en otro caso, también podrían estar como resultado de un proceso de transformación génica en el que el organismo transformado reproduzca dichas moléculas de DNA. La secuencia de DNA de Ia invención puede ser aislada, mediante técnicas convencionales, a partir del DNA de cualquier microorganismo que Ia contenga, mediante el empleo de sondas o de oligonucleótidos, preparados gracias a Ia información de Ia secuencia de nucleótidos de dicha molécula de DNA, proporcionada en esta invención por un experto en Ia materia. Resultados obtenidos por el mismo equipo investigador indican que Ia producción de β-glucano por las estirpes Pediococcus damnosus 2.6, Lactobacillus sp G-77 y Oenococcus oeni 077 requiere Ia expresión del gen gtf, cuyas formas alélicas son prácticamente idénticas en todas las estirpes, aunque su localización genómica y los elementos reguladores de su expresión son diferentes en cada estirpe (ver solicitud de patente "PROCEDIMENTO DE DETECCIÓN MOLECULAR DE BACTERIAS ÁCIDO LÁCTICAS PRODUCTORAS DE β-GLUCANOS" (2004))
Por otro lado, a partir de Ia secuencia de DNA GFT de Ia presente invención un experto en Ia materia puede obtener otras deleciones o fragmentos proteicos derivados de esta proteina GTF o de sus formas homologas que mantengan su actividad glicosiltransferasa. Por tanto, Ia molécula de DNA de Ia invención incluye los fragmentos de Ia misma que presentan dicha actividad glicosiltransferasa.
En una realización particular, Ia secuencia de DNA GTF de Ia invención es una molécula de DNA de P. damnosus 2.6, y en concreto Ia SEQ ID N09. La secuencia de DNA GTF de Ia invención puede ser utilizada, en general, en Ia generación de un vector de expresión que permite Ia expresión de estas proteínas con actividad glicosiltransferasa en una amplia gama de células huésped.
Por tanto, Ia invención también se refiere a un vector de expresión GTF que comprende Ia secuencia de DNA GTF de Ia invención, en adelante vector de expresión GTF de Ia invención, y que permite Ia transformación de microorganismos o células y Ia posterior obtención de microorganismos capaces de expresar Ia proteína GFP (SEQ ID N06) y que permita al huésped adquirir Ia capacidad, o mejorar Ia ya existente, de producir EPS.
En general, el vector de expresión de Ia presente invención comprende, al menos, una secuencia de DNA GTF de Ia invención y, al menos, un promotor que dirige Ia transcripción del gen de interés, al que está operativamente enlazado, y otras secuencias necesarias o apropiadas para Ia transcripción del gen de interés y su regulación adecuada en tiempo y lugar, por ejemplo, señales de inicio y terminación, sitios de corte, señal de poliadenilación, origen de replicación, activadores transcripcionales, represores transcripcionales, secuencias de inserción, etc. Ejemplos
de vectores de expresión apropiados pueden seleccionarse de acuerdo con las condiciones y necesidades de cada caso concreto entre plásmidos y cósmidos con un origen de replicación bacteriano para que pueda ser amplificado en multicopia a partir de los elementos extra cromosómicos en bacterias o vectores integrativos para que pueda ser amplificado en monocopia a partir del cromosoma en bacterias, asi como un marcador utilizable para seleccionar las células transformadas diferente al gen de interés. La elección del vector dependerá de Ia célula hospedadora en Ia que se va a introducir posteriormente. A modo de ejemplo, el vector donde se introduce dicha secuencia de DNA puede ser un plásmido que, cuando se introduce en una célula hospedadora, se integra en el genoma de dicha célula y se replica junto con el cromosoma de Ia célula huésped.
El vector de Ia invención puede ser obtenido por métodos convencionales conocidos por los técnicos en Ia materia (Sambrook y cois. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. CoId Sprig Harbour laboratory Press N.Y.). Un objeto particular de Ia presente invención Io constituye el plásmido pGTF que contiene Ia secuencia de DNA GTF de Ia presente invención (ver Ejemplo 2). Otro objeto de Ia presente invención es el uso de Ia secuencia de DNA GTF o del vector de expresión GTF en un proceso de transformación celular para Ia obtención de células GTF.
Otro objeto de Ia presente invención Io constituye una proteina con actividad glicosiltransferasa que está constituida por una de las secuencias de aminoácidos seleccionada entre: a) Ia secuencia de aminoácidos identificada como SEQ ID N06 o un fragmento de Ia misma; y b) una secuencia de aminoácidos análoga a Ia secuencia definida en a). Otro objeto de Ia invención Io constituye una célula, en adelante célula GTF de Ia presente invención, que comprende una secuencia de DNA GTF o un vector de expresión pGTF de Ia invención, capaz de expresar de forma recombinante Ia proteina GTF (SEQ ID N06) y que, por Io tanto, adquiere Ia capacidad, o mejora Ia ya existente, de producir EPS.
Las células hospedadoras que se pueden transformar con dicho vector de expresión pueden ser, tanto células bacterianas Gram -positivas como Gram-negativas, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención LABs pertenecientes a los géneros Lactococcus Lactobacillus y Streptococcus como S. thermophilus, distintas subespecies de L lactis y Lactobacillus delbrueckii, subsp. bulgarícus, que son actualmente utilizados en Ia elaboración de productos lácteos.
Una realización particular de Ia presente invención Io constituye Ia célula GTF L lactis MG1363[pGTF] y Ia célula S. pneumoniae R61 [pGTF].
Las células GTF de Ia invención pueden ser utilizadas para Ia sobreproducción de EPSs para su posterior uso en las distintas posibles aplicaciones. Asi, otro objeto de Ia presente invención Io constituye el uso de las células GTF para producir EPSs mediante un procedimiento que comprende: a) el crecimiento de Ia célula GTF en un medio adecuado y en condiciones que permitan Ia expresión del vector de expresión GTF o de Ia secuencia de DNA GTF, b) Ia producción de EPSs por Ia célula GTF de a), y c) Ia purificación de los EPS de b)
La purificación de los EPS producidos por las células GTF puede ser realizada por técnicas convencionales conocidas por un experto en Ia materia.
Como se ha indicado anteriormente los EPSs asi obtenidos pueden ser utilizados como agentes estabilizadores, espesantes, gelificadores y emulsionantes en múltiples procesos de manipulación, procesamiento y transformación de alimentos, por ejemplo, como aditivo en Ia fabricación de numerosos alimentos como derivados lácteos (yogures, batidos y helados), zumos y preparados a base de cereales), como sucedáneos de Ia nata y del vinagre (Sutherland (1998) Trends Biotechnol. 16: 41-46), como agentes estabilizadores de los alimentos (Sutherland (1998) Trends Biotechnol. 16: 41-46), en cosmética en forma de goma como espesante, estabilizador y agente de suspensión (Becker y cois. (1998) Appl. Microbiol. Biotechnol. 50: 145-152), y como material en Ia síntesis de matrices utilizadas en técnicas de cromatografía, pare el recubrimiento de superficies metálicas o para estabilizar jarabes.
Por otro lado, estos resultados permiten abrir nuevas posibilidades para transformar un sistema bacteriano GRAS, es decir, microorganismos - entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención, estirpes de LAB pertenecientes a los géneros del siguiente grupo: Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus y Oenococcus - que pueden ser utilizados en Ia industria alimentaria en procesos de fermentación de alimentos, entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención, pertenecientes al siguiente grupo: productos lácteos, bebidas alcohólicas y avena, que permite Ia mejora de Ia textura de los productos fermentados, ej. yogourt y el queso (de Vos (1999) Curr. Opin. Biotech. 10: 483-484) o Ia mejora de sus cualidades organolépticas (Olof Mártensson y cois. (2002) Nutrition Research 22: 1461-1473).
Así, otro objeto de Ia presente invención Io constituye el uso de las células GTF en procesos de fermentación de alimentos, entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención, pertenecientes al siguiente grupo: productos lácteos, bebidas alcohólicas y avena.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Mapa físico del plásmido pGTF. Los símbolos genéticos utilizados son: gtf, codifica Ia glicosiltransferasa; gfp, codifica Ia proteína fluorescente verde; erm, codifica para Ia proteína responsable de Ia resistencia a eritromicina; malR, codifica para el represor transcripcional MaIR; PM, promotor de gtf y gfp; copG y repB, codifican las proteínas implicadas en Ia replicación del plásmido.
Figura 2.- Predicción de Ia estructura secundaria de Ia proteína GTF de P. damnosus 2.6 utilizando el programa SOSUI. Los colores de los aminoácidos corresponden a: negro, hidrofóbicos; azul, con cadena polar; azul y negrita, cargados positivamente; rojo, cargados negativamente.
Figura 3.- Detección en S. pneumoniae y en L. lactis de Ia expresión de gtf y gfp respectivamente por detección microscópica de aglutinación y por microscopía de fluorescencia. Contiene fotografías de cultivos celulares de las cepas de S. pneumoniae: R61[pLS1 RGFP] (A y B) y R61[pGTF] (C y D) y de L lactis : MG1363[pLS1 RGFP] y MG1363[pGTF] detectados por microscopía de contraste de fase (A, C, E y G) y por microscopía de fluorescencia (B, D, F y H).
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN
Ejemplo 1.-Clonaje y caracterización del gen gtfάe P. damnosus 2.6. El clonaje de Ia región 5' del gen se realizó por amplificación de PCR utilizando el DNA total de los plásmidos portados por P. damnosus 2.6 y los oligonucleótidos degenerados 5'- TAYGAYAAYACNCARGARGT-3' (Oligo I, SEQ ID N01) y δ'-ACRAARTARTCRTARTCRTG-S' (Oligo II, SEQ ID N02) (Y = T o C; W; R = A o G; N = A, C, G o T). Estos oligonucleótidos fueron diseñados en base a Ia secuencia de aminoácidos conservada de Ia glicosil transferasa de P. damnosus IOEB8801 (Walling et al. (2001) Lait 81: 289-300), ya que Ia secuencia de nucleótidos del gen codificante no ha sido publicada, ni depositada en los bancos de datos de secuencias de DNA. El fragmento amplificado de 1,8 kb fue clonado en el vector pCR 2.1 -TOPO (Invitrogen) y el plásmido recombinante obtenido fue establecido en Escherichia coli DH5α. La determinación de Ia secuencia de nucleótidos del fragmento de DNA reveló Ia existencia de un marco de lectura
abierta carente de su región amino terminal. La secuencia de DNA obtenida fue utilizada para sintetizar los oligonucleótidos 5'-ACGCCCTGCGTGTTATCATA-3' (SEQ ID N03) y 5'- TGTGTAATGGCACTCACGAC-3' (SEQ ID N04) y mediante reacción de PCR reversa se amplificó el extremo 5' del gen gft, que fue clonado utilizando el mismo vector, método y bacteria huésped que se emplearon para clonar el extremo 3' del gen. La secuencia de 3352 nucleótidos de las regiones clonadas se muestra en Ia SEQ ID N05 (nucleótidos 1-621 región 3' del gen mobA, nucleótidos 819-1085 gen hipotético 0RF1 y nucleótidos 1282-2982 del gen gtf -región CDS). El gen gft (SEQ ID NO 9) codifica Ia proteina GTF de 567 aminoácidos detallados en Ia SEQ ID N06. La comparación de Ia secuencia de DNA del gen gtf de P. damnosus con las depositadas en las bases de datos mostró Ia ausencia de homologías significativas. Sin embargo, al comparar Ia secuencia de Ia proteina (con Ia base de datos Swissprot) codificada por el gen gtf (GTF) se observó que es homologa a glicosiltranferasas de Ia familia COG1215. Además, Ia proteina GTF presenta una homología relativamente elevada (34%) con Ia proteína Tts de Streptococus pneumoniae, una glicosiltransferasa que es el único enzima requerido para Ia biosíntesis y secreción de un β-D-glucano similar al de P. damnosus (LIuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24:21053- 21061). Esta característica se contrapone con los complejos operones (compuestos por unos 10 genes) que codifican las proteínas requeridas para Ia síntesis y secreción de los heteropolisacáridos y homopolisacáridos bacterianos utilizados actualmente a nivel industrial (JoIIy y Stingele (2001) Int. Dairy J. 11: 733-745). En consecuencia, una proteína con características similares a Ia Tts, pero proveniente de un microorganismo no patógeno y con calidad alimentaria tendría un potencial para Ia producción de β-D-glucanos por manipulación genética y de interés industrial.
Resultados obtenidos por el mismo equipo investigador indican que Ia producción de β- glucano por las estirpes Pediococcus damnosus 2.6, Lactobacillus sp G-77 y Oenococcus oeni 077 requiere Ia expresión del gen gtf, cuyas formas alélicas son prácticamente idénticas en todas las estirpes, aunque su localización genómica y los elementos reguladores de su expresión son diferentes en cada estirpe (ver solicitud de patente española "PROCEDIMENTO DE DETECCIÓN MOLECULAR DE BACTERIAS ÁCIDO LÁCTICAS PRODUCTORAS DE β-GLUCANOS (2004))
Ejemplo 2.- Construcción del vector pGTF que permite Ia sobreexpresión de Ia proteína GTF de Pediococcus damnosus 2.6.
Como se ha comentado anteriormente, Ia homología de Ia GTF con Ia glicosiltransferasa Tts de S. pneumoniae (UuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24: 21053-21061) y que constituye Ia cápsula del serotipo 37 (UuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24: 21053-21061) indicaba que posiblemente Ia GTF es Ia única proteina responsable de Ia biosintesis del exopolisacárido de P. damnosus. Por este motivo, se procedió a construir como parte de esta invención el plásmido recombinante pGTF sobreproductor de GTF y que contiene Ia secuencia de DNA del gen gñ de Ia invención (SEQ ID NO9) (Figura 1). En el vector de expresión pLSIRGFP (Nieto y cois. (2000) Plasmid 43: 205-213) se clonó entre el promotor inducible PM y el gen reportero gfp un fragmento de DNA que incluye Ia región codificante del gen gtf. Para ello se amplificó Ia región que incluye el gen gti utilizando Ia DNA polimerasa Pfu (Stratagene) y utilizando como sustrato el DNA total de los plásmidos portados por P. damnosus 2.6 y los oligonucleótidos 5'- TCTAGAAATTAAAGGAATGTGTAA-3' (SEQ ID NO7) y 5'-
TCTAGATTAATCATTCCAATCAACTG-3' (SEQ ID NO8), que incluyen Ia secuencia de reconocimiento del enzima de restricción Xba\. El fragmento amplificado de 1,734 kb fue clonado, en Ia orientación correcta respecto al promotor PM en el sitio único Xba\ de pLSIRGFP y, posteriormente, el plásmido recombinante fue establecido en Ia estirpe no capsulada R61 de S. pneumoniae (estirpe R6 cuyo genoma ha sido secuenciado Hoskins y cois. (2001) J. Bacteriol. 183: 5709-5717 y que fue denominada R61 por el Dr. Sanford Lacks en: Lacks (1968) Genetics 60: 685-706) por transformación y selección de los transformantes por resistencia a 5 μg mi 1 de eritromicina (marcador de resistencia del plásmido vector) según se describe en Lacks (1968) Genetics 60: 685-706) obteniéndose Ia estirpe S. pneumoniae R61[pGTF]. El plásmido pGTF, que es capaz de replicar en bacterias Gram-positivas y Gram- gram positivas y negativas contiene una fusión transcripcional Pu-gtf-gfp, que permite una sobreexpresión por crecimiento de las células portadoras en medio conteniendo maltosa y una detección de Ia expresión desde el promotor PM por medida de Ia fluorescencia de Ia proteina GFP (Nieto y cois. (2000) Plasmid 43: 205-213).
Ejemplo 3. -Detección in vitro de Ia función de GTF integrada en membranas de S. pneumoniae.
La glicosiltransferasa Tts de S. pneumoniae es una proteina integral de membrana (LIuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24: 21053-21061). El análisis de Ia predicción de Ia localización topológica de Ia GTF de P. damnosus 2.6 utilizando el programa SOSUI
(http://sosui.proteome.bio.tuat.ac.ip/sosuiframeO.html ) reveló que el dominio catalítico de Ia
proteína (aminoácidos 83 a 377 está localizado en el citoplama bacteriano) y que existen seis regiones transmembranales: dos localizadas en el extremo amino terminal de Ia proteina precediendo al dominio catalítico de ésta y cuatro localizadas en su región carboxilo (Figura 2). Por los motivos antedichos se procedió a purificar membranas de las estirpes de S. pneumoniae R61 portadoras del plásmido pGTF o del plásmido vector pLSIRGFP y determinar Ia actividad glicosiltransferasa utilizando como sustrato UDP-glucosa. Para ello, células de las estirpes de S. peumoniae R61 [pLSIRGFP] (Nieto y cois. (2000) Plasmid 43: 205-213) y R61[pGTF] fueron crecidas en 1 I de medio Tood-Hewitt (Difco) suplementado con extracto de levadura al 0,5%, sacarosa al 0,1% y maltosa al 0,8% hasta una AΘSO de 0,4. Los cultivos de las dos estirpes mostraron un tiempo de duplicación similar (Tabla 1), indicando que Ia expresión de Ia fusión PM- gtf-gfp no tenía un efecto deletéreo para S. pneumoniae. La valoración de Ia expresión a partir del promotor PM se realizó mediante Ia determinación de Ia fluorescencia debida a Ia proteína GFP de 0,1 mi de los cultivos por espectrometría de fluorescencia (Nieto y cois. (2000) Plasmid 43: 205- 213). Los resultados obtenidos (Tabla 1) mostraron, que en las dos estirpes analizadas existía expresión de Ia proteína GFP siendo ligeramente inferior en Ia R61[pGTF] que en Ia estirpe portadora del vector, efecto observado en construcciones previas al intercalar un gen entre el promotor PM y el gen gfp (resultados no mostrados).
Para realizar Ia obtención de membrana requeridas para determinar Ia actividad glicosiltransferasa, las células presentes en 1 I litro de medio fueron sedimentadas por centrifugación a 12000 x g durante 20 minutos (min) a 40C y resuspendidas en el tampón A (70 mM Tris.HCI pH 7,0, 9 mM MgCI2 , 1 mM CaCI2) con 0.2 M fluoruro de fenilmetilsulfonilo (PMSF) y sedimentadas por centrifugación a 10000 x g durante 10 min a 40C. Las bacterias resuspendidas en el tampón A fueron sometidas a rotura mecánica pasándolas dos veces por una prensa de French (Aminco). El homogeneizado fue centrifugado a 12000 x g durante 15 min a 40C y el sobrenadante fue otra vez centrifugado a 12000 x g durante 30 min a 40C. Las membranas sedimentadas fueron resuspendidas en 2 mi de tampón A conteniendo 0.2 mM de PMSF y almacenadas a -8O0C. La concentración de proteínas de las preparaciones de membranas se determinó utilizando el sistema BCA Protein Assay (Pierce). La determinación de Ia actividad glicosiltransferasa fue realizada utilizando 30 μM (0.1 μCi) UDP-[14C]glucosa (actividad específica 333 mCi/mmol) en un tampón A suplementado con 50 mM NaCI en un volumen total de 100 μl y membranas en un rango de concentraciones comprendido entre 0,05 y 0,5 mg mi 1 de proteínas. Las reacciones se realizaron por incubación a 3O0C durante 15 min. Las reacción fue terminada por adición de SDS a una concentración final del 0,5% e incubación a 370C durante 15 min.
Seguidamente se adicionó seroalbumina bovina a una concentración final del 0,4% y 1 mi de ácido tricloroacético (TCA) al 10%. Después de una incubación durante 30 min a O0C, las mezclas se filtraron a través de filtros Wathman GF/A y fueron lavadas con 15 mi de TCA al 10%. Los filtros se secaron a 650C durante 20 min y Ia radioactividad presente en ellos se midió en un contador de centelleo (LKB Wallack). Los resultados obtenidos (Tabla 1) revelaron Ia existencia de actividad glicosiltransferasa en las membranas de las dos estirpes analizadas. Los niveles fueron aproximadamente 2,5 veces superiores en Ia estirpe R61[pGTF] en comparación con Ia estirpe control. Este incremento era presumiblemente debido a Ia actividad glicosiltransferasa de Ia GTF de P. damnosus. En el caso de Ia estirpe control R61[pLS1 RGFP] los niveles de actividad detectados podrían ser debidos a los productos de los genes cpoA y epsG cromosomales de S. pneumoniae, cuya función es desconocida, pero que por homología están propuestos como glicosiltransferasas en el banco de datos KEGG (http://www.genome.jp/kegg/) .
Tabla 1. Efecto de Ia inducción de Ia fusión Pm-gtf-gfp en el crecimiento, niveles de GFP y de actividad glicosiltransferasa en S. pneumoniae
1El tiempo de duplicación de las bacterias se calculó utilizando las medidad de Aβso durante el crecimiento.
2La fluorescencia de 0,1 mi de los cultivos previamente sedimentados y resuspendidos en 0,1 mi de tampón PBS pH
7,2 se midió en placas de microtítulo en un espectrofotómetro LS_50B (Perkin Elmer) mediante una excitación a una longitud de onda de 488 nm con una apertura de 5 y Ia detección de Ia fluorescencia se realizó a una longitud de onda de 511 nm con una apertura de 5.
3Los valores representan Ia media y Ia desviación estándar de 10 determinaciones empleando distintas concentraciones de membranas en el rango de 0.05 a 0.5 mg mi 1 de proteína. Una unidad de actividad glicosil transferasa corresponde a Ia cantidad de enzima que cataliza Ia incorporación en un producto macromolar de 1 pmol de glucosa por mg de proteína y por minuto.
Ejemplo 4.-Detección de Ia función de GTF In vivo en S. pneumoniae y L lactis.
Los resultados de detección de actividad glicosiltransferasa indicaban que el plásmido pGTF codifica Ia proteina GTF en forma activa. Ya que los anticuerpos desarrollados frente a Ia cápsula del serotipo 37 de S. pneumoniae son muy específicos y no reaccionan con estirpes no capsuladas o de otros serotipos de S. pneumoniae o con otras bacterias, se procedió a utilizar dichos anticuerpos para valorar in vivo Ia expresión funcional de Ia GTF de Pedíococcus tanto en
S. pneumoniae R61 [pGTF] como en Ia estirpe MG1363 de Lactococcus lactis (a Ia cual se había transferido el plásmido pGTF por transformación). La expresión funcional de Ia GTF fue determinada mediante Ia técnica de aglutinación utilizando anticuerpos desarrollados frente a Ia cápsula de S. pneumoniae serotipo 37 y por microscopía (LIuI y cois (1999) J. Biol. Chem. 24: 21053-21061). Células de las cepas de S. peumoniae R61[pLS1 RGFP] y R61[pGTF] fueron crecidas en medio Tood-Hewitt (Difco) suplementado con extracto de levadura al 0,5%, sacarosa al 0,1% y maltosa al 0,8% a una A65o de 0,4. Células de las cepas de L. lactis MG1363 [pLS1 RGFP] y MG1363[pGTF] fueron crecidas en medio Tood-Hewitt (Difco) suplementado con extracto de levadura al 0,5% y maltosa al 5% a una A66o de 0,5. Un mi de cada uno de los cultivos fue sedimentado por centrifugación y las células fueron resuspendidas en 100 μl de tampón PBS pH 8,0 (10 mM Na2HPO4, 1 mM KH2PO4, 140 mM NaCI, 3 mM KCI). Diez μl de cada uno de los cultivos fueron mezclados con 10 μl del anticuerpo desarrollado frente al serotipo 37 neumocócico (Statens Seruminstitut, Dinamarca) y mantenidos a 40C durante 2 horas. Las preparaciones fueron analizadas por microscopía de contraste de fase y fluorescencia utilizando un microscopio Zeiss Axioplan (Universal microcope) con filtros de fluorescencia de excitación Standard FITC set D480/30 y emisión TBP 460/530/610. Los resultados obtenidos aparecen recogidos en Ia Figura 3. La fluorescencia de Ia proteína GFP permitió detectar por microscopía de fluorescencia Ia existencia de expresión génica a partir del promotor PM de pLS1 RGFP y de pGTF en las células de S. pneumoniae (Figuras 3B y 3D) y L lactis (Figuras 3F y 3H) inducidas con maltosa. Las imágenes obtenidas por microscopía de fluorescencia y contraste de fase revelaron qué sólo las células de S. pneumoniae (Figuras 3C y 3D) y de L lactis (Figuras 3G y 3H) portadoras del plásmido pGTF e inducidas con maltosa eran capaces de aglutinar. Estos resultados muestran que pGTF confiere a S. pneumoniae y a L lactis Ia capacidad de sintetizar el exopolisacárido.