Activación de rutas de biosíntesis silenciosas en Streptomyces albus J1074

Abstract

Los productos naturales (PNs) juegan un papel importante en Biotecnología debido a sus diversas actividades biológicas y a su aplicación en clínica, veterinaria y agricultura. En los últimos años, el conocimiento de las bases genéticas y bioquímicas de rutas de biosíntesis de PNs microbianos ha aumentado enormemente como consecuencia del desarrollo de la ingeniería genética aplicada a microorganismos. Es conocida la capacidad de muchas bacterias de generar productos bioactivos. De entre todas ellas, los actinomicetos representan el grupo de bacterias del que más se conoce su capacidad de producir dichos productos (antitumorales, antibacterianos, antifúngicos, antivirales, etc.). La secuenciación masiva de genomas bacterianos ha puesto de manifiesto que algunos grupos presentan un potencial oculto para la producción de nuevas moléculas bioactivas previamente desconocidas y determinadas por agrupaciones génicas silenciosas. En concreto, los actinomicetos, y en particular el género Streptomyces, entran dentro de esta categoría de potenciales productores de nuevas moléculas bioactivas. Streptomyces albus J1074 presenta en su genoma al menos 27 agrupamientos génicos para la biosíntesis de metabolitos secundarios potencialmente bioactivos. De estos agrupamientos se han identificado por el momento los metabolitos determinados por 5 de ellos que corresponden a un pigmento (indigoidina), dos familias de compuestos antifúngicos (candicidinas y antimicinas), una familia de compuestos con actividad antibiótica (paulomicinas) y un compuesto citotóxico (6-epi-alteramida A). Los productos determinados por los 22 agrupamientos génicos restantes son por el momento desconocidos. Como ocurre en todos los estreptomicetos en estudio, la mayoría de los agrupamientos génicos presentes en S. albus J1074 permanecen silenciosos en las condiciones habituales de crecimiento en el laboratorio o bien se expresan pobremente. Para identificar los productos cuya biosíntesis es determinada por estos agrupamientos génicos silenciosos se requiere la manipulación genética del microorganismo para activar específicamente la expresión de genes biosintéticos, bien de forma directa o bien a través de la expresión de activadores transcripcionales específicos de cada ruta. Para este trabajo se estudió el genoma de S. albus J1074 para la identificación de agrupaciones génicas y se seleccionaron cuatro de esos agrupamientos como objeto de estudio, uno de ellos conteniendo genes que codifican un sistema PKS-NRPS (polyketide synthase-non-ribosomal peptide synthetase) y tres conteniendo genes que codifican NRPSs, por su potencial biosintético de acuerdo a las predicciones bioinformáticas obtenidas con los programas Antismash y PRISM. A continuación, se llevó a cabo la manipulación genética de cada uno de los agrupamientos para la activación y expresión de las rutas de biosíntesis. Durante todo el trabajo desarrollado se ha venido aplicando el denominado método OSMAC (One Strain Many Compounds), que consiste en introducir variaciones en las diferentes condiciones del cultivo como temperatura de crecimiento, medio de cultivo, velocidad de agitación, etc. y estudiar si alguna de esas alteraciones o diferentes combinaciones entre ellas suponen un cambio en la pauta de producción habitual de metabolitos de una cepa bacteriana. Usando esta metodología se han identificado 4 nuevos derivados de paulomicinas (UO-087, UO-088, UO-089 y UO-090) de las que, tras purificar y elucidar sus estructuras moleculares, se estudió su actividad biológica, determinando finalmente poseen una actividad antibiótica menor que las paulomicinas frente a bacterias Gram-positivas si bien de manera general muestran una mayor actividad antibiótica frente a Gram-negativas.