Optimización de herramientas moleculares para la manipulación genética de microalgas y su aplicación en procesos de biofloculación
- Autores: Encarnación Díaz Santos
- Directores de la Tesis: Javier Vigara Fernández (dir. tes.), Rosa María León Bañares (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 154
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Vega Piqueres (presid.), Federico García-Maroto (secret.), Sara Raposo García (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
Las microalgas son un grupo muy diverso de microorganismos foto sintéticos y eucariotas. Poseen un alto potencial biotecnológico debido a que son productores de numerosos compuestos bioactivos de interés industrial. La recogida de biomasa de microalgas se vuelve particularmente importante debido a que es un paso crítico en el proceso de producción, representando alrededor del 20-30% del coste total y por tanto, su mejora es necesaria. En la presente tesis doctoral, se lleva a cabo el desarrollo y la optimización de herramientas moleculares para la manipulación genética de microalgas y su posterior aplicación en la mejora de los métodos de recogida de biomasa microalgal, a través de procesos de biofloculación. En el Capítulo 2, en Chlamydomonas reinhardtii, se evaluó la eficiencia de dos promotores heterólogos: el promotor CaMV35S del virus del mosaico de la coliflor y el promotor NOS, de la nopalina sintasa de Agrobactereium tumefaciens. El gen de resistencia a paramomicina {APHVIII) fue seleccionado como gen marcador. La eficiencia de transformación y los niveles de transcrito y proteína APHVIII, se analizaron en una serie de transformantes seleccionados. Los mayores valores se encontraron para el promotor NOS, seguido del promotor CaMV 35S. Aunque el uso de promotores heterólogos es una herramienta eficiente, la búsqueda de promotores endógenos podría ser una alternativa viable para encontrar un promotor universal y fuerte, propio de microalgas. En el Capítulo 3, se transformó genéticamente Chlamydomonas reinhardtii, utilizando el APHVIII como gen marcador, sin promotor. Los transformantes que exhibieron un fenotipo más fuerte se analizaron mediante PCR inversa y se identificó la región genómica precedente al gen marcador. En la mayoría de los transformantes analizados, el gen marcador se encontraba inserto en regiones intragénicas y su expresión se debió a una adecuada inserción en fase de lectura con los genes endógenos. En el Capítulo 4, los promotores heterólogos y el APHVIII promotorless utilizados en el capítulo 2 y 3, se emplearon para la transformación genética de Chlorella sorokiniana, una de las microalgas actualmente con mayor potencial y relevancia a nivel industrial. Se puso a punto el método de transformación génica mediante electroporación, definiéndose los parámetros óptimos como 2,5 kV de intensidad eléctrica y 3 pulsos. Una vez obtenidos los transformantes, se analizaron. Los resultados obtenidos mostraron los mejores valores de eficiencia utilizando el promotor CaMV 35S, en contraste con los resultados obtenidos para C reinhardtii, confirmando de este modo, que ios promotores heterólogos que se utilizan actualmente son fuertemente dependientes de cada especie. En los siguientes capítulos, tanto herramientas fisiológicas como moleculares son desarrolladas y optimizadas para la mejora de los métodos de biofloculación implicados en la recogida de biomasa de microalgas. En el Capítulo 5, la levadura altamente floculante Saccharomyces bayamis var. iivarum y sus factores floculantes son utilizados para inducir floculación en dos microalgas C. reinhardtii y Picochlorum sp, HM1. La adición de Saccharomyces y dichos factores, indujo agregación en las células de ambas especies, resultando en valores máximos de eficiencia de recuperación del 95% y 75% para Chlamydomonas y Picochlorum respectivamente. Con el fin de inducir fenotipos auto-floculantes en células de C reinhardtii, en el Capítulo 6, una cepa silvestre de esta clorofita, fue transformada genéticamente con uno de los genes dominantes responsables de la floculación en la levadura Saccharomyces bayanus var. uvarum, el gen FL05. De entre los muchos transformantes de C. reinhardtii analizados, tres de ellos: CrFL0511, CrFL0513 y CrFL0520, fueron identificados habiendo integrado establemente el gen de floculación en su genoma y exhibiendo fenotipos de auto-floculación.
- English
Microalgae are a highly diversified group of eukaryotic and photosynthetic microorganisms with a relevant biotechnological potential because of they are producers of numerous bioproducts used in feed, cosmetic, pharmaceutical and bioenergy industry. The harvesting of the microalgal biomass becomes particularly important because it is a critical step which accounts for about 20-30% of the total production cost and its improvement is necessary. In this thesis, the optimization and the development of molecular tools are performed for genetic manipulation of microalgae and their further application for the improvement of bioflocculation methods to harvest microalgal biomass. In Chapter 2, using the genetic transformation developed for Chlamydomonas reinhardtii, the efficiency of the heterologous promoters of cauliflower mosaic virus 35S (CaMV 35S) and Agrobacterium nopaline synthase (NOS) genes was evaluated. The paromomycin resistance gene (APHV1II) was selected as marker gene. The transformation efficiency and the APHVIII transcript and protein levels were evaluated in a series of transformants for each promoter. Among the two heterologous promoters used, CaMVSSS and NOS, the highest transformation efficiencies and levels of APHVIII expression were found using the NOS promoter. Although the use of heterologous promoters has been a suitable technique for the expression of exogenous genes in microalgae, the search of endogenous promoters could be a feasible alternative to find a strong universal microalgal promoter. In Chapter 3, a nuclear genetic transformation in Chlamydomonas reinhardtii cells was carried out, using the APHVIII as a promoterless marker gene. The random insertions of the promoterless in the most robust selected transformants was demonstrated, allowing the identification of novel strong promoter sequences in microalgae. The inverse PCR technique allowed an easy determination of the genomic region, which precedes the marker gene. In most of the transformants analysed, the marker gene was inserted in intragenic regions and its expression relied on its adequate insertion in frame with native genes. In Chapter 4, the efficiency of the two heterologous promoters and APHVIII promoterless checked in Chapter 2 and 3, were also used for genetic transformation of the industrially important microalga Chlorella sorokinianci. Firstly, a cheap, simple and feasible method of electroporation was developed for this microalga, defining 2.5 kV of electric field strength and 3 electric pulses as the suitable parameters. And then, the efficiencies of the chosen promoters was analysed. The results showed the best efficiency values using the CaMV 35S promoter, in contrast with the results obtained for C. reinhardtii, confirming thus, that the heterologous promoters currently used are strongly specie-dependent. In the following chapters, physiological and molecular tools are developed and optimized to the improvement of bioflocculation methods for the microalgal biomass harvesting. In Chapter 5, the highly self-flocculating yeast Saccharomyces bayamis var. uvarum and its flocculating factors are used to induce flocculation in the two microalgae C. reinhardtii and Picochlorum sp. HM1. The addition of Saccharomyces and flocculating factors induced cell aggregation in both microalgal species studied, resulting in maximum recovery efficiency values of 95% and 75% for Chlamydomonas and Picochlorum respectively. In order to induce self-flocculating phenotypes in C. reinhardtii cells, in Chapter 6, a wild type strain of this chlorophyte was genetically transformed with a flocculin gene (FLOS) from the self-flocculating yeast Saccharomyces bayamis var. uvarum and, three Chlamydomonas transformants, CrFLOSll, CrFL0513 and CrFL0520, were identified having integrated the flocculin gene into their genome and exhibiting self-flocculating phenotypes.
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