Optimización de la biosíntesis de ácido hialurónico en escherichia coli recombinante a partir de xilosa

Abstract

Cada día hay un mayor interés por generar productos con valor agregado a partir de diferentes tipos de residuos. Uno de estos productos es el ácido hialurónico (hyaluronic acid, HA), polímero con variados usos en la medicina y la cosmetología. El HA es sintetizado a partir de una enzima llamada Hialuronan Sintasa o HAS. Esta enzima es una proteína de membrana que sintetiza HA a partir de 2 precursores: Ácido UDP-Glucurónico y UDP-N-Acetilglucosamina, compuestos que se encuentran naturalmente en las bacterias Escherichia coli. El presente trabajo tuvo como objetivo la construcción de una Escherichia coli recombinante capaz de sintetizar HA a partir de xilosa como fuente de carbono alternativa a la glucosa. Este azúcar es uno de los más abundantes en los residuos hemicelulósicos de la industria forestal chilena. Para mejorar el consumo de xilosa por parte de la bacteria nativa E. coli Top10 se usó la técnicade la Evolución Adaptativa de Laboratorio de Palsson (Adaptive Laboratory Evolution, ALE). Este proceso se realizó mediante un cultivo continuo en medio R2 y xilosa como única fuente de carbono. La cepa evolucionada fue transformada con el gen hasA de Streptococcus equisimilis (sehasA) obteniendo la cepa Top10 Evo:pMBAD-sseAB. Para el análisis del cambio generado por la ALE se realizó un Análisis de Balance de Flujos (Flux Balance Analysis, FBA) a partir de un Modelo a Escala Genómica (Genome Scale Model, GSM) del microorganismo. Además, se optimizó el cultivo de la cepa Top10 Evo:pMBAD-sseAB en cuanto a las siguientes condiciones: tiempo de adición de inductor y su concentración concentración, control de pH, temperatura de crecimiento post-inducción y concentración de azúcar suplementada. El ALE realizado tuvo una duración de 48 días. Como resultado se obtuvo que la velocidad especí fica de crecimiento en xilosa de la cepa E. coli Top10 aumentó un 36%: de 0,24 h-1 a 0,33 h-1. Se determinó que un mayor rendimiento de HA se obtiene al hacer 2 adiciones de inductor al cultivo. Anteriormente en la literatura se había observado este fenómeno, pero nunca en una expresión recombinante de proteína asociada a un vector regulado con el promotor PBAD, correspondiente al del presente trabajo. Una temperatura de crecimiento post-inducción de 28,5 °C presentó los mejores rendimientos. Además, se de nió que la adición de xilosa a una concentración de 20 g/L 2 horas después de la inducción, y de 12 g/L a las 24 horas de cultivo (el doble de lo presentado en la literatura) aumenta el rendimiento de HA en cultivos en xilosa. Finalmente, las condiciones de cultivo seleccionadas fueron: inducción con 2 adiciones de 0,05 g/L de L-arabinosa, temperatura de crecimiento post-inducción de 28,5 C y concentración de azúcar suplementada de 20 g/L después de la inducción y 12 de g/L a las 24 horas de cultivo. El rendimiento de HA obtenido en estas condiciones fue de 195,8 mg/g.cel, más del doble que el rendimiento obtenido en condiciones basales, el que fue de 92,6 mg/g.cel. Con el FBA realizado fue posible corroborar que la cepa evolucionada tenía mejoras metabólicas en comparación con la cepa no evolucionada, cambio producido por el ALE. Estas mejoras permitieron que los ujos asociados a las vías de las pentosas fosfato, la glicólisis y el ciclo de ácidos tricarboxílicos fueran mayores en la cepa evolucionada en un 12% y 29% en promedio, durante el consumo de xilosa y manosa, respectivamente. Además, dado que las diferencias observadas entre las cepas evolucionada y no evolucionada se observaron tanto en xilosa como en manosa, y permitieron una mayor producción de HA y de biomasa, se in rió que la ALE impactó alguna enzima de la glicólisis.