Ingeniería metabólica de Synechococcus elongatus PCC 7942

• Autores: María del Carmen Santos Merino
• Directores de la Tesis: Fernando de la Cruz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Número de páginas: 281
• Tribunal Calificador de la Tesis: Asunción Contreras de Vera (presid.), María Pilar Garcillán Barcia (secret.), Juan Nogales Enrique (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biología Molecular y Biomedicina por la Universidad de Cantabria
• Materias:
  • Química
    • Bioquímica
      • Ácidos grasos
  • Ciencias de la vida
    • Microbiología
      • Metabolismo bacteriano
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UCrea
• Resumen
  • español

    Las cianobacterias son un grupo de bacterias Gram negativas, capaces de realizar fotosíntesis oxigénica. Son conocidas comúnmente como algas verde-azuladas debido a los pigmentos fotosintéticos que poseen, clorofila a y ficobiliproteínas (1). En este trabajo se ha utilizado como modelo de estudio la cianobacteria Synechococcus elongatus PCC 7942 (a partir de ahora, Se7942), que se caracteriza por ser fotoautótrofo obligado, de agua dulce, unicelular, con forma de bacilo y que se divide por fisión binaria (2).

    Las cianobacterias están dotadas de un sistema fotosintético para fijar dióxido de carbono a una forma reducida. Es por ello, que constituyen la maquinaria biosintética ideal para la producción sostenible de productos químicos y biocombustibles (3). Además, los recientes avances en tecnologías de manipulación genética y de ingeniería metabólica, hacen que las cianobacterias sean uno de los candidatos más atractivos para su uso en aplicaciones biotecnológicas.

    En esta tesis doctoral se han llevado a cabo diferentes estrategias y experimentos para manipular la cianobacteria Se7942 por ingeniería genética y metabólica, con el fin de obtener un chasis más atractivo para su uso a nivel industrial.

    Por un lado, se ha mejorado su tiempo de generación mediante evolución experimental, con el objetivo de acortar los procesos de producción a nivel industrial. Durante el experimento de evolución realizado en la cianobacteria Se7942 se obtuvieron dos poblaciones evolucionadas, que presentaban menores tiempos de generación que la cepa silvestre y contenían varias mutaciones respecto a la cepa de partida. Estas poblaciones evolucionadas han perdido su competencia natural debido mutaciones que afectan a componentes del pilus tipo IV.

    Por otro, hemos modificado Se7942 para que produzca ácido alfa-linolénico, un ácido graso esencial en humanos, que no puede ser sintetizado y por ello hemos de introducirlo en la dieta (4). Para ello, se clonaron las desaturasas provenientes de otra cianobacteria, Synechococcus sp. PCC 7002, en Se7942. Dicha producción se vio mejorada con la sobreexpresión de fabF y la deleción total de fadD, genes que codifican para enzimas de la síntesis y degradación de ácidos grasos en Se7942, respectivamente. Con ambas modificaciones se alcanzaron los niveles de producción más altos de ácido alfa-linolénico que se han descrito en cianobacterias.

    En tercer lugar, se ha desarrollado un modelo metabólico de Se7942, que nos ha permitido identificar nuevas dianas para incrementar la producción de ácidos grasos omega-3. Este modelo metabólico de Se7942 fue denominado iMS835, y contenía 835 genes, 806 metabolitos y 895 reacciones. Fue construido a partir del modelo publicado, iJB785 (5). La capacidad predictiva de genes esenciales en iMS835 es la más alta de todos los modelos que existen para esta cianobacteria.

    La mejora del tiempo de generación, junto a la producción de ácido alfa-linolénico en Se7942, abre las puertas al uso de esta cianobacteria para su uso a nivel industrial. Además, el desarrollo de un modelo metabólico de Se7942 con mejor capacidad predictiva, permitirá reducir el número de experimentos in vivo realizados.

    1. Stanier, R.Y., and G. Cohen-Bazire. 1977. Phototrophic prokaryotes: the cyanobacteria. Annual review of microbiology. 31:225-274.

    2. Rippka, R., J. Deruelles, J.B. Waterbury, M. Herdman, and R.Y. Stanier. 1979. Generic Assignments, Strain Histories and Properties of Pure Cultures of Cyanobacteria. Microbiology. 111:1-61.

    3. Lai, M.C., and E.I. Lan. 2015. Advances in Metabolic Engineering of Cyanobacteria for Photosynthetic Biochemical Production. Metabolites. 5:636-658.

    4. Stark, A.H., M.A. Crawford, and R. Reifen. 2008. Update on alpha-linolenic acid. Nutrition reviews. 66:326-332.

    5. Broddrick, J.T., B.E. Rubin, D.G. Welkie, N. Du, N. Mih, S. Diamond, J.J. Lee, S.S. Golden, and B.O. Palsson. 2016. Unique attributes of cyanobacterial metabolism revealed by improved genome-scale metabolic modeling and essential gene analysis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113:E8344-E8353.

  • English

    Synechococcus elongatus PCC 7942 belongs to the group of cyanobacteria, organisms that only need sunlight, carbon dioxide, water and a little amount of nutrients for growth. These characteristics, alongside the recent advances in genetic modification technology and metabolic engineering, make them be one of the most attractive candidates to use them in biotechnological applications. In this thesis, we performed some different strategies and experiments to modify the cyanobacteria Synechococcus elongatus PCC 7942 using genetic and metabolic engineering, with the aim of obtaining a more attractive chassis to use in industrial processes. On the one hand, we improved the generation time of this cyanobacteria using experimental evolution, with the aim of shortening the industrial processes. On the other hand, we produced alpha-linolenic acid, an omega-3 fatty acid with nutritional importance. Thirdly, we developed a metabolic model of Synechococcus elongatus PCC 7942, which allows us to identify new targets to increase the omega-3 fatty acid production.