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Ver el documento (formato PDF)   Godoy, Manuel Santiago.  "Efectos del sistema regulador CreBC sobre el flujo de carbono en Escherichia coli y su manipulación para incrementar la síntesis de compuestos de interés industrial"  (2014-03-28)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
La supervivencia de un organismo depende, al menos en parte, de su habilidad para sensar y responder a cambios en el ambiente. En las bacterias, los cambios en las características físicas y nutricionales del ambiente generan respuestas inmediatas, a través de la regulación de conjuntos de genes en respuesta a un estímulo específico del ambiente y a señales metabólicas. En el presente trabajo se evaluó el efecto de cambios en CreC, el sensor del sistema regulador de dos componentes CreBC, sobre el metabolismo central de E. coli. Se estudió el efecto de mutaciones en el gen creC en cepas crecidas en medio mineral M9 con glucosa y glicerol como fuente de carbono, y en distintas condiciones de aerobiosis. La ausencia de CreC generó mayores efectos en M9 glucosa y en bajas tensiones de oxígeno tanto para la secreción de metabolitos (acetato, formiato, lactato y succinato) como para las actividades enzimáticas acetato quinasa (ACK) y lactato deshidrogenasa (LDH). De los cuatro metabolitos mencionados, la cepa ΔcreC (DC1060) produjo más acetato, formiato y succinato y menos lactato, y reportó una mayor actividad ACK y menor actividad LDH. El estudio de los niveles de transcripción a través de fusiones trascripcionales del gen gfp (codifica la proteína verde fluorescente, Gfp) a los promotores de los genes de las enzimas estudiadas ackA (ACK) y ldhA (LDH) confirmaron que la menor actividad LDH de la cepa DC1060 se correspondía con niveles inferiores de transcripto del gen (en la fase exponencial). Para la fusión ackA-gfp, en cambio, los niveles de transcripción fueron leve pero significativamente menores en la cepa mutante respecto a la salvaje (K1060) en esta fase, en contraposición a lo observado para la actividad ACK. La trascripción de este gen en la fase estacionaria, pasó a ser mayor en la cepa DC1060, demostrando un alto nivel de complejidad en la dinámica regulatoria de CreC sobre ackA. Mediante estudios similares a los antes descriptospero realizados con mutantes para los genes ΔcreB, ΔcreC y la doble mutante ΔcreBC, se estableció que los efectos de CreC están mediados exclusivamente por CreB. Se realizaron ensayos fisiológicos en los que se observó que la cepa mutante es más sensible a agentes oxidantes como el peróxido de hidrógeno y el paraquat, probablemente como resultado de un estado intracelular más oxidado respecto de la cepa salvaje (como se pudo establecer a partir de los coeficientes /, y los niveles de NADH/NAD+ intracelulares). También se observó que esta cepa tiene un consumo de oxígeno más bajo (- 30%) que la salvaje. Se realizaron ensayos en biorreactor con diferentes niveles de aireación (bajo, medio y alto) y dos fuentes de carbono (glicerol y glucosa) para caracterizar fermentativamente a las cepas K1060 y DC1060, a fin de establecer una estrategia para mejorar la producción de succinato y PHB, en conjunto con los resultados mencionados. Las mayores diferencias entre ambas cepas se observaron nuevamente a bajas concentraciones de oxígeno. De estas diferencias se destacan los siguientes resultados: (i) No hubo producción de lactato, y los niveles de etanol fueron muy bajos para ambas cepas y fuentes de carbono; (ii) el succinato fue detectable sólo en la cepa mutante con glucosa, pero a niveles inferiores que los obtenidos en los cultivos de frasco agitado; (iii) el formiato y el acetato, en medio mineral con glucosa, se produjeron en mayor cantidad para la cepa ΔcreC; (iv) la relación / volvió a reflejar un estado de mayor oxidación intracelular en la cepa ΔcreC (sólo con glucosa); (v) en glicerol como fuente de carbono, se observó un lag más pronunciado y una mayor energía de mantenimiento en la cepa DC1060 respecto a la K1060. Cuando se evaluó la producción de PHB mediante la expresión heteróloga de los genes phaCAB de R. eutropha, se vio que en glucosa la cepa mutante produce casi un 50% más de este polímero. Al probar los efectos del bicarbonato sobre la producción de succinato, vimos que la síntesis de este último aumentaba sólo en la cepa mutante. Para ver si era posible mejorar la producción de estos metabolitos, construimos una colección de cepas con distintas mutaciones de forma de anular las vías metabólicas competitivas. Estas mutaciones involucraron a los genes ackA, ldhA, ptsG, adhE y, por su puesto, creC. En el caso del PHB, ninguna de las cepas mejoró el desempeño de la simple mutante ΔcreC, quizás debido a que ya se alcanzó el máximo nivel de polímero tolerable por la célula. En el caso del succinato, además se sobre-expresaron dos carboxilasas de E. coli (la PEP carboxilasa y la PEP carboxiquinasa), cada una en combinación con la enzima formiato deshidorgenasa (Fdh1) de Candida Boidinii. De las distintas combinaciones estudiadas, la cepa que tuvo mayor producción de succinato fue la triple mutante ΔcreC, ΔackA, ΔadhE, sobreexpresando las enzimas PEP carboxilasa y la Fdh1, llegando a alcanzar una concentración de 6 mM de succinato.

Abstract:
The survival of an organism depends, at least in part, on its ability to sense and respond to changes in the environment. In bacteria, changes in the physical and nutritional characteristics of the environment generate immediate responses, controlled through the regulation of sets of genes in response to specific environmental stimuli and metabolic signals. The effect of changes in CreC, the sensor of the two component CreBC control system, on the central metabolism of E. coli was evaluated In this work. The effect of mutations in creC on central metabolism, were analyzed in M9 mineral medium with glucose and glycerol as the carbon source, and under different oxygen availability conditions. The absence of CreC generated more changes in glucose and low oxygen tensions for the secretion of metabolites (acetate, formate, lactate and succinate) and for the activity of the enzyme acetate kinase (ACK) and lactate dehydrogenase (LDH). Of the four metabolites mentioned, the ΔcreC (DC1060) strain produced more acetate, formate and succinate and less lactate, and reported a higher activity of ACK and lower activity of LDH. The study of the transcription levels via transcriptional fusions of gfp (coding for the green fluorescent protein, Gfp), to the promoters of the genes of the enzymes studied: ackA (ACK) and ldhA (LDH), confirmed that the reduced LDH activity of strain DC1060 matched lower levels of gene transcript (in exponential phase) For the ackA-gfp fusion, however, transcript levels were slightly but significantly lower in the mutant strain compared to the wild type (K1060) at this stage, as opposed to the enzymatic activity observed for ACK. The transcript of this gene in the stationary phase became higher in the DC1060 strain, demonstrating a high level of complexity in the regulatory dynamics of CreC over ackA. On similar studies using a ΔcreB mutant, and a ΔcreBC double mutant, it was established that the observed effects are exclusively mediated by CreB. Physiological studies indicated that the mutant strain is more sensitive to oxidizing agents such as hydrogen peroxide and paraquat, probably resulting from a more oxidized intracellular state when compared to the wild type (as could be established through the / ratio, and the intracellular levels of NADH / NAD+). It was also noted that this strain has a lower oxygen consumption rate than the wild type (-30 %). Tests were performed in a bioreactor with different aeration levels (low, medium and high) and two carbon sources (glycerol and glucose) to characterize the fermentation behavior of K1060 and DC1060 strains in order to establish a strategy to improve the production of succinate and PHB. The largest differences between the two strains were again observed at low oxygen concentrations. These differences can be summarized as : (i) there was no lactate production, and ethanol levels were very low for both strains and carbon sources , (ii) succinate was detectable only in the mutant strain with glucose, but to lower levels than in shake flask cultures , (iii) acetate and formate were produced in greater quantities by the ΔcreC strain in mineral medium with glucose, (iv) the ratio /

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Registro:
Título : Efectos del sistema regulador CreBC sobre el flujo de carbono en Escherichia coli y su manipulación para incrementar la síntesis de compuestos de interés industrial    
Autor : Godoy, Manuel Santiago
Director : Pettinari, María Julia
Consejero : López, Nancy I.
Jurados : Ruzal, Sandra Mónica  ; Aguilar, Orlando Mario  ; Centrón, Daniela
Año : 2014-03-28
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Química Biológica. Laboratorio de Genética Bacteriana
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Biológica
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_5464_Godoy
Idioma : Español
Area Temática : Química / Química Biológica
Química / Química Industrial
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