Heterologous Expression of a Plant Small Heat-Shock Protein Enhances Escherichia Coli Viability under Heat And Cold Stress Ref.: 1

A small heat-shock protein (sHSP) that shows molecular chaperone activity in vitro was recently purified from mature chestnut (Castanea sativa) cotyledons. This protein, renamed here as CsHSP17.5, belongs to cytosolic class I, as revealed by cDNA sequencing and immunoelectron microscopy. Recombinant CsHSP17.5 was overexpressed in Escherichia coli to study its possible function under stress conditions. Upon transfer from 37°C to 50°C, a temperature known to cause cell autolysis, those cells that accumulated CsHSP17.5 showed improved viability compared with control cultures. Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis analysis of cell lysates suggested that such a protective effect in vivo is due to the ability of recombinant sHSP to maintain soluble cytosolic proteins in their native conformation, with little substrate specificity. To test the recent hypothesis that sHSPs may be involved in protection against cold stress, we also studied the viability of recombinant cells at 4°C. Unlike the major heat-induced chaperone, GroEL/ES, the chestnut sHSP significantly enhanced cell survivability at this temperature. CsHSP17.5 thus represents an example of a HSP capable of protecting cells against both thermal extremes. Consistent with these findings, high-level induction of homologous transcripts was observed in vegetative tissues of chestnut plantlets exposed to either type of thermal stress but not salt stress

Chaperonas moleculares y tolerancia a estrés abiótico en especies arbóreas

Las temperaturas extremas, la sequía y otros estreses abióticos limitan la producción forestal de forma significativa, causando grandes pérdidas económicas en el sector. Los árboles, al ser organismos sésiles, han desarrollado una serie de estrategias para percibir dichos factores, activando respuestas defensivas apropiadas. Entre ellas ocupa un lugar preeminente la síntesis de proteínas con actividad chaperona molecular. Las chaperonas moleculares interaccionan con proteínas desnaturalizadas total o parcialmente, promoviendo su correcto plegamiento y ensamblaje. Las chaperonas moleculares que se sintetizan de forma predominante en plantas, pero no en otros eucariotas, pertenecen a la familia sHSP (small heat-shock proteins). Se trata de una familia inusualmente compleja y heterogénea, cuyos miembros son de pequeño tamaño (16-42 kD) y poseen un dominio “alfa-cristalina” muy conservado. Estas proteínas están implicadas en protección frente a estrés abiótico mediante la estabilización de proteínas y membranas, si bien su mecanismo de acción se conoce de forma incompleta. A pesar del evidente potencial aplicado de las proteínas sHSP, son muy escasos los estudios realizados hasta el momento con un enfoque netamente biotecnológico. Por otra parte, casi todos ellos se han llevado a cabo en especies herbáceas de interés agronómico o en especies modelo, como Arabidopsis thaliana. De ahí que las sHSP de arbóreas hayan sido mucho menos caracterizadas estructural y funcionalmente, y ello a pesar del interés económico y ecológico de los árboles y de su prolongada exposición vital a múltiples factores estresantes. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de sHSP de varias especies arbóreas de interés económico. El escrutinio exhaustivo de genotecas de cDNA de órganos vegetativos nos ha permitido identificar y caracterizar los componentes mayoritarios de tallo en dos especies productoras de madera noble: nogal y cerezo. También hemos caracterizado la familia completa en chopo, a partir de su secuencia genómica completa. Mediante expresión heteróloga en bacterias, hemos analizado el efecto protector de estas proteínas in vivo frente a distintos tipos de estrés abiótico, relevantes para el sector productivo. Los resultados demuestran que las proteínas sHSP-CI: (i) aumentan la viabilidad celular de E.coli frente a casi todos estos factores, aplicados de forma individual o combinada; (ii) ejercen un rol estabilizador de las membranas celulares frente a condiciones adversas; (iii) sirven para mejorar la producción de otras proteínas recombinantes de interés comercial. El efecto protector de las proteínas sHSP-CI también ha sido analizado in planta, mediante la expresión ectópica de CsHSP17.5-CI en chopos. En condiciones normales de crecimiento no se han observado diferencias fenotípicas entre las líneas transgénicas y los controles, lo que demuestra que se pueden sobre-expresar estas proteínas sin efectos pleiotrópicos deletéreos. En condiciones de estrés térmico, por el contrario, los chopos transgénicos mostraron menos daños y un mejor crecimiento neto. En línea con lo anterior, las actividades biológicas de varias enzimas resultaron más protegidas frente a la inactivación por calor, corroborando la actividad chaperona propuesta para la familia sHSP y su conexión con la tolerancia al estrés abiótico. En lo que respecta a la multiplicación y propagación de chopo in vitro, una forma de cultivo que comporta estrés para las plantas, todas las líneas transgénicas se comportaron mejor que los controles en términos de producción de biomasa (callos) y regeneración de brotes, incluso en ausencia de estrés térmico. También se comportaron mejor durante su cultivo ex vitro. Estos resultados tienen gran potencial aplicado, dada la recalcitrancia de muchas especies vegetales de interés económico a la micropropagación y a la manipulación in vitro en general. Los resultados derivados de esta Tesis, aparte de aportar datos nuevos sobre el efecto protector de las proteínas sHSP citosólicas mayoritarias (clase CI), demuestran por vez primera que la termotolerancia de los árboles puede ser manipulada racionalmente, incrementando los niveles de sHSP mediante técnicas de ingeniería genética. Su interés aplicado es evidente, especialmente en un escenario de calentamiento global. ABSTRACT Abiotic stress produces considerable economic losses in the forest sector, with extreme temperature and drought being amongst the most relevant factors. As sessile organisms, plants have acquired molecular strategies to detect and recognize stressful factors and activate appropriate responses. A wealth of evidence has correlated such responses with the massive induction of proteins belonging to the molecular chaperone family. Molecular chaperones are proteins which interact with incorrectly folded proteins to help them refold to their native state. In contrast to other eukaryotes, the most prominent stress-induced molecular chaperones of plants belong to the sHSP (small Heat Shock Protein) family. sHSPs are a widespread and diverse class of molecular chaperones that range in size from 16 to 42k Da, and whose members have a highly conserved “alpha-crystallin” domain. sHSP proteins play an important role in abiotic stress tolerance, membrane stabilization and developmental processes. Yet, their mechanism of action remains largely unknown. Despite the applied potential of these proteins, only a few studies have addressed so far the biotechnological implications of this protein family. Most studies have focused on herbaceous species of agronomic interest or on model species such as Arabidopsis thaliana. Hence, sHSP are poorly characterized in long-lived woody species, despite their economic and ecological relevance. This Thesis studies sHSPs from several woody species of economic interest. The most prominent components, namely cytosolic class I sHSPs, have been identified and characterized, either by cDNA library screening (walnut, cherry) or by searching the complete genomic sequence (poplar). Through heterologous bacterial expression, we analyzed the in vivo protective effects of selected components against abiotic stress. Our results demonstrate that sHSP-CI proteins: (i) protect E. coli cells against different stressful conditions, alone or combined; (ii) stabilize cell membranes; (iii) improve the production of other recombinant proteins with commercial interest. The effects of CsHSP17.5-CI overexpression have also been studied in hybrid poplar. Interestingly, the accumulation of this protein does not have any appreciable phenotypic effects under normal growth conditions. However, the transgenic poplar lines showed enhanced net growth and reduced injury under heat-stress conditions compared to vector controls. Biochemical analysis of leaf extracts revealed that important enzyme activities were more protected in such lines against heat-induced inactivation than in control lines, lending further support to the chaperone mode of action proposed for the sHSP family. All transgenic lines showed improved in vitro and ex vitro performance (calli biomass, bud induction, shoot regeneration) compared to controls, even in the absence of thermal stress. Besides providing new insights on the protective role of HSP-CI proteins, our results bolster the notion that heat stress tolerance can be readily manipulated in trees through genetic engineering. The applied value of these results is evident, especially under a global warming scenario.

Compostabilidad de envases de bolsas de PBAT+PLA y envases rígidos de PLA mediante tecnologías de pila y túnel

Los polímeros compostables suponen en torno al 30% de los bioplásticos destinados a envasado, siendo a su vez esta aplicación el principal destino de la producción de este tipo de materiales que, en el año 2013, superó 1,6 millones de toneladas. La presente tesis aborda la biodegradación de los residuos de envases domésticos compostables en medio aerobio para dos tipos de formato y materiales, envase rígido de PLA (Clase I) y dos tipos de bolsas de PBAT+PLA (Clases II y III). Sobre esta materia se han realizado diversos estudios en escala de laboratorio pero para otro tipo de envases y biopolímeros y bajo condiciones controladas del compost con alguna proyección particularizada en plantas. La presente tesis da un paso más e investiga el comportamiento real de los envases plásticos compostables en la práctica del compostaje en tecnologías de pila y túnel, tanto a escala piloto como industrial, dentro del procedimiento y con las condiciones ambientales de instalaciones concretas. Para ello, con el método seguido, se han analizado los requisitos básicos que debe cumplir un envase compostable, según la norma UNE – EN 13432, evaluando el porcentaje de biodegradación de los envases objeto de estudio, en función de la pérdida de peso seco tras el proceso de compostaje, y la calidad del compost obtenido, mediante análisis físico-químico y de fitotoxicidad para comprobar que los materiales de estudio no aportan toxicidad. En cuanto a los niveles de biodegrabilidad, los resultados permiten concluir que los envases de Clase I se compostan adecuadamente en ambas tecnologías y que no requieren de unas condiciones de proceso muy exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100%. En relación a los envases de Clase II, se puede asumir que se trata de un material que se composta adecuadamente en pila y túnel industrial pero que requiere de condiciones exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al afectarle de forma clara la ubicación de las muestras en la masa a compostar, especialmente en el caso de la tecnología de túnel. Mientras el 90% de las muestras alcanza el 100% de biodegradación en pila industrial, tan sólo el 50% lo consigue en la tecnología de túnel a la misma escala. En cuanto a los envases de Clase III, se puede afirmar que es un material que se composta adecuadamente en túnel industrial pero que requiere de condiciones de cierta exigencia para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al poderle afectar la ubicación de las muestras en la masa a compostar. El 75% de las muestras ensayadas en túnel a escala industrial alcanzan el 100% de biodegradación y, aunque no se ha ensayado este tipo de envase en la tecnología de pila al no disponer de muestras, cabe pensar que los resultados de biodegrabilidad que hubiera podido alcanzar habrían sido, como mínimo, los obtenidos para los envases de Clase II, al tratarse de materiales muy similares en composición. Por último, se concluye que la tecnología de pila es más adecuada para conseguir niveles de biodegradación superiores en los envases tipo bolsa de PBAT+PLA. Los resultados obtenidos permiten también sacar en conclusión que, en el diseño de instalaciones de compostaje para el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente, sería conveniente realizar una recirculación del rechazo del afino del material compostado para aumentar la probabilidad de someter este tipo de materiales a las condiciones ambientales adecuadas. Si además se realiza un triturado del residuo a la entrada del proceso, también se aumentaría la superficie específica a entrar en contacto con la masa de materia orgánica y por tanto se favorecerían las condiciones de biodegradación. En cuanto a la calidad del compost obtenido en los ensayos, los resultados de los análisis físico – químicos y de fitotoxicidad revelan que los niveles de concentración de microorganismo patógenos y de metales pesados superan, en la práctica totalidad de las muestras, los niveles máximos permitidos en la legislación vigente aplicable a productos fertilizantes elaborados con residuos. Mediante el análisis de la composición de los envases ensayados se constata que la causa de esta contaminación reside en la materia orgánica utilizada para compostar en los ensayos, procedente del residuo de origen doméstico de la denominada “fracción resto”. Esta conclusión confirma la necesidad de realizar una recogida selectiva de la fracción orgánica en origen, existiendo estudios que evidencian la mejora de la calidad del residuo recogido en la denominada “fracción orgánica recogida selectivamente” (FORM). Compostable polymers are approximately 30% of bioplastics used for packaging, being this application, at same time, the main destination for the production of such materials exceeded 1.6 million tonnes in 2013. This thesis deals with the biodegradation of household packaging waste compostable in aerobic medium for two format types and materials, rigid container made of PLA (Class I) and two types of bags made of PBAT + PLA (Classes II and III). There are several studies developed about this issue at laboratory scale but for other kinds of packaging and biopolymers and under composting controlled conditions with some specifically plants projection. This thesis goes one step further and researches the real behaviour of compostable plastic packaging in the composting practice in pile and tunnel technologies, both at pilot and industrial scale, within the procedure and environmental conditions of concrete devices. Therefore, with a followed method, basic requirements fulfilment for compostable packaging have been analysed according to UNE-EN 13432 standard. It has been assessed the biodegradability percentage of the packaging studied, based on loss dry weight after the composting process, and the quality of the compost obtained, based on physical-chemical analysis to check no toxicity provided by the studied materials. Regarding biodegradability levels, results allow to conclude that Class I packaging are composted properly in both technologies and do not require high exigent process conditions for achieving 100% biodegradability levels. Related to Class II packaging, it can be assumed that it is a material that composts properly in pile and tunnel at industrial scale but requires exigent conditions for achieving 100% biodegradability levels for being clearly affected by sample location in the composting mass, especially in tunnel technology case. While 90% of the samples reach 100% of biodegradation in pile at industrial scale, only 50% achieve it in tunnel technology at the same scale. Regarding Class III packaging, it can be said that it is a material properly composted in tunnel at industrial scale but requires certain exigent conditions for reaching 100% biodegradation levels for being possibly affected by sample location in the composting mass. The 75% of the samples tested in tunnel at industrial scale reaches 100% biodegradation. Although this kind of packaging has not been tested on pile technology due to unavailability of samples, it is judged that biodegradability results that could be reached would have been, at least, the same obtained for Class II packaging, as they are very similar materials in composition. Finally, it is concluded that pile technology is more suitable for achieving highest biodegradation levels in bag packaging type of PBAT+PLA. Additionally, the obtained results conclude that, in the designing of composting devices for treatment of organic fraction selectively collected, it would be recommended a recirculation of the refining refuse of composted material in order to increase the probability of such materials to expose to proper environmental conditions. If the waste is grinded before entering the process, the specific surface in contact with organic material would also be increased and therefore biodegradation conditions would be more favourable. Regarding quality of the compost obtained in the tests, physical-chemical and phytotoxicity analysis results reveal that pathogen microorganism and heavy metals concentrations exceed, in most of the samples, the maximum allowed levels by current legislation for fertilizers obtained from wastes. Composition analysis of tested packaging verifies that the reason for this contamination is the organic material used for composting tests, comes from the household waste called “rest fraction”. This conclusion confirms the need of a selective collection of organic fraction in the origin, as existing studies show the quality improvement of the waste collected in the so-called “organic fraction selectively collected” (FORM).