Análisis transcripcional de la vía de secreción y metabolismo del metanol durante la producción de una proteína heteróloga en Pichia pastoris

La levadura metilotrófica Pichia pastoris es de gran importancia industrial principalmente en la producción de proteínas heterólogas. En un estudio reciente se emplearon cinco factores ambientales para definir condiciones de cultivo a nivel de bioreactor que condujeron a altos (CM) y bajos (CP) niveles de la producción extracelular de una fitasa recombinante en una cepa Muts de P. pastoris. Los resultados de este estudio mostraron que bajo las condiciones CM, la demanda y consumo de O2 y de metanol fueron más altos y condujeron a valores más altos en la velocidad específica de crecimiento (μ), biomasa (2.7 veces), niveles de producción de fitasa extracelular (5.5 veces) y rendimientos (Yp/x) que en CP. Con el fin de comprender los mecanismos de regulación transcripcional que afectan a la fisiología de P. pastoris por la sobre-producción de la proteína recombinante y las condiciones de cultivo, en este trabajo se realizó un análisis de expresión diferencial de genes (DGE) empleando la tecnología de secuenciación masiva de mRNA (RNAseq) de la cepa Muts de P. pastoris crecida bajo las condiciones CM y CP reportadas previamente. Además se validaron los resultados del estudio de DGE mediante RT-qPCR. Resultados: La expresión de 4,950 genes, el 93% de los genes totales anotados, fueron detectados. Se sub- y sobre-expresaron 350 y 413 genes respectivamente en CM respecto a CP. En CM vs CP se sobre-expresaron significativamente términos relacionados con la biosíntesis de aminoácidos, biosíntesis de nucleósidos de purina, regulación de la traducción, glicosilación de proteínas y mitosis, indicando una mayor actividad anabólica en CM. La transcripción del gen heterólogo y de los genes de la ruta de desasimilación del metanol no mostraron diferencias entre ambas condiciones de cultivo y fue inducida en metanol. Sin embargo las enzimas claves (DAS1 y DAS2) de la ruta de asimilación del metanol se sobre-expresaron significativamente en CM vs CP, indicando que CM está favorecida la producción de biomasa y la generación de energía a través de esta vía, explicando los valores más altos para la μ y biomasa obtenidos en CM respecto a CP. De 110 genes analizados involucrados en la vía de secreción, 20 se sobre-expresaron en CM vs CP, la sobre-expresión de estos genes indicaron que bajo las condiciones de CM, se presenta una mayor actividad transcipcional de los genes implicados en el transporte y translocación hacia el RE (15%), genes implicados en el plegamiento de proteínas en RE (25%), así como genes relacionados en el procesamieto de las proteínas a través del RE (30%) y Golgi (35%) que permitieron un estado fisiológico favorable para la secreción de la proteína heteróloga. De los 44 genes relacionados con el estrés en RE durante la secreción, en CM vs CP se sobre-expresaron genes UPR indicando, que bajo condiciones de CM, se promueve la expresión de genes relacionados con el plegamiento de proteínas y probablemente se evita el acumulamiento de proteínas mal plegadas. La sub-expresión de todos los genes relacionados con autofagia, es uno de los factores que podría explicar la menor actividad proteolítica observada en CM. Finalmente se observó una correlación entre los métodos de RNA-seq y RTqPCR (r2=0.7). Conclusiones: El análisis de la DGE señala que los factores ambientales en CM condujeron a la regulación de la expresión de genes del proceso de secreción y genes relacionados al estrés en RE durante la secreción que condujeron a valores de Yp/x, más altos en CM que en CP y no se atribuyen a una expresión diferencial del gen heterólogo. La regulación de la ruta del metanol hacia la asimilación y una mejor respuesta de adaptación al estrés en CM condujeron a un mayor crecimiento y producción de biomasa en CM que en CP.

Efecto del tipo de explante, regulador de crecimiento y medio de cultivo sobre la capacidad morfogénica de jatropha curcas L.

La especie Jatropha curcas L., comúnmente conocida en México como piñoncillo, es una planta productora de aceite que ha recibido gran atención en recientes años al utilizarse como fuente de energía por su gran potencial para la elaboración de biodiesel. Sin embargo, su introducción mundial como especie bioenergética se ha dado con diferentes grados de éxito debido al heterogéneo rendimiento de semillas y contenido de aceite como consecuencia de su amplia variabilidad genética. Esto ha impulsado la selección de genotipos elite, los cuales deben contar con un protocolo de propagación clonal por medio del cultivo de tejidos vegetales para acelerar el desarrollo de cultivares. La mayoría de los estudios morfogénicos se han hecho a partir de explantes de genotipos procedentes de la India, de modo que es necesario el estudio de los factores que afectan la morfogénesis en genotipos mexicanos, debido a la amplia variación genética. Los objetivos del presente estudio fueron: i) evaluar la expresión morfogénica de explantes bajo diferentes niveles de reguladores de crecimiento (thidiazurón, 6- bencilaminopurina y ácido indol-3-butírico) en dos medios de cultivo (Yasuda y MS), ii) estudiar la respuesta de explantes por efecto de 500 mg L-1 de polivinilpirrolidona (PVP) en la etapa de establecimiento in vitro de dos genotipos de Jatropha curcas (INI-3 e INI-6), y iii) determinar el comportamiento de la enzima polifenol oxidasa (PPO) en explantes de hoja y peciolo de dos genotipos de Jatropha curcas (INI-3 e INI-6) bajo la aplicación de hipoclorito de sodio (NaClO) al 3.24 % como agente desinfectante. En la etapa de establecimiento in vitro se evaluó el efecto del PVP en explantes de hoja y peciolo de los genotipos INI-3 e INI-6 bajo un diseño completamente al azar (DCA) con un arreglo factorial 2x2 con 90 repeticiones por tratamiento y un explante por unidad experimental, donde en el factor A fueron los genotipos (INI-3 e INI-6) y el factor B las dosis de PVP (control y 500 mg L-1). Las variables evaluadas en una prueba de ji-cuadrada fueron: viabilidad y presencia de callo, mientras que el peso de callo se evaluó por un análisis de varianza. En la etapa de inducción se analizaron los medios de cultivo Yasuda y MS más la interacción con diferentes dosis de thidiazurón (1.5 y 3.0 mg L−1), 6-bencilaminopurina (1.5 y 3.0 mg L−1), y (AIB) ácido indol-3-butírico (0.0, 0.5 y 1.0 mg L−1) en explantes de peciolo del genotipo INI-6, bajo un DCA con arreglo factorial 2x2x2x3 con tres repeticiones, compuestas de dos explantes por unidad experimental, donde la variable presencia de callo fue evaluada en un análisis de regresión logística. La determinación de la actividad de PPO se realizó bajo un DCA con arreglo factorial 2X2X2 con tres repeticiones, donde en el factor A fueron las dosis de NaClO (control y 3.24 %), el factor B los tipos de explantes (hoja y peciolo) y el factor C los genotipos (INI-6 e INI-3). Los resultados del establecimiento in vitro mostraron que únicamente el explante de peciolo fue viable al cultivo, revelando que los genotipos de estudio no presentan asociación con las frecuencias de explantes viables de acuerdo con las pruebas de ji-cuadrada. En esta misma etapa se encontró que la viabilidad de explantes varió según la posición del peciolo con base en el ápice terminal, donde los explantes del segundo nudo presentaron la mayor viabilidad con base en una prueba de jicuadrada. Además, la adición de PVP aumentó la viabilidad de explantes de peciolo e indujo la proliferación de callo con una diferencia significativa en la producción de callo fresco entre genotipos según el análisis de varianza. En la etapa de inducción se encontró que los factores AIB y TDZ además de las interacciones “TDZ*AIB” y “TDZ*BAP*AIB” están relacionadas significativamente con la presencia de callo y ningún tratamiento indujo el desarrollo de brotes a las ocho semana de cultivo in vitro. En la determinación de la actividad de PPO, se encontró que estadísticamente la aplicación de NaClO al 3.24 % causa el aumento en la actividad de PPO, además se descubrió diferencias estadísticas entre explantes y genotipos de estudio.