Bacterias que producen medicinas

Las plantas producen compuestos químicos naturales para comunicarse, protegerse de la radiación o defenderse de depredadores y patógenos en un ambiente hostil. Algunos de estos compuestos tienen una actividad medicinal, pero aún somos incapaces de utilizar las máquinas moleculares de las plantas para nuestro beneficio. ¿Estamos más cerca de producir estas preciadas medicinas naturales?

Las plantas y animales colonizaron tierra firme hace alrededor de 443 y 417 millones de años respectivamente. Como las plantas fueron las pioneras de este saldo evolutivo, se tuvieron que adaptar a un nuevo entorno lleno de microorganismos patógenos, condiciones de deshidratación y alta radiación solar. Los animales siguieron el mismo camino, encontrando en las plantas una enorme fuente de alimento en este nuevo ambiente. La coexistencia de plantas y animales desencadenó la evolución de diferentes estrategias biológicas para defenderse el uno del otro. Mientras las plantas desarrollaron un completo arsenal de compuestos biológicamente tóxicos para evitar que depredadores se alimentaran de ellas, los animales respondieron evolucionando mecanismos para evitar la toxicidad de dichos compuestos. Una “guerra química” se había desatado y podría representar una fuente abundante de medicinas para el ser humano.

Un arsenal de armas altamente diverso

Un elemento esencial que permite a los dos organismos entrar en esta guerra química es la llamada familia de las enzimas citocromos P450 (P450s). Estas máquinas moleculares están localizadas en las membranas de los compartimentos celulares internos y son las responsables de la biosíntesis de los compuestos naturales en plantas. El hecho de estar unidos a la membrana las hace especialmente difíciles de producir en bacterias y estudiar en el laboratorio. Los humanos tienen un pequeño kit de alrededor de 57 genes que codifican para estas enzimas que están presentes mayoritariamente en el hígado y oxidan compuestos tóxicos de una forma inespecífica. Esto permite a los humanos detoxificar un amplio número de producción químicos potencialmente peligrosos a los que estamos expuestos en la naturaleza. En contraste, las plantas disponen de un mayor número de estos genes P450 puediendo llegar hasta 250. Esto refleja la enorme diversidad de compuestos químicos que pueden sintetizar las plantas. Lo más importante es que estos compuestos naturales han demostrado tener potente actividad contra el cáncer, como por ejemplo el Taxol, compuesto natural producido en la corteza del árbol del Tejo Pacífico. El compuesto denominado Ingenol encontrado en la planta Euphorbia peplus, es otro ejemplo ilustrativo de compuesto natural para prevenir cáncer, en este caso contra la queratosis actínica.

Los compuestos químicos de planta son difíciles de copiar de forma sostenible

Las medicinas derivadas de plantas son complejas estructuras químicas muy difíciles de copiar en el laboratorio utilizando los métodos químicos tradicionales. Por esta razón la extracción directa de la planta ha sido la norma para proporcionar un suministro coste-efectivo. Además, a menudo estos preciados compuestos se producen en cantidades diminutas en las plantas, lo cual puede suponer una amenaza para especies en extinción. Por ejemplo, el árbol del Tejo Pacífico es una especia al borde de la extinción como resultado de la cosecha intensiva ejercida por furtivos en busca del preciado Taxol. La biología sintética podría suponer una alternativa más sostenible y coste-efectiva para producir compuestos naturales utilizando elementos de ADN (biobloques) de diferentes organismos. Sin embargo, esto no está libre de controversia ya que muchos compuestos naturales emplean actualmente a miles de granjeros en países en vías de desarrollo cuyos trabajos podrían verse amenazados por el despliegue de la biología sintética.

Bacterias más inteligentes para producir compuestos naturales

Las plantas ofrecen un poderoso arsenal de P450. Sin embargo, las bacterias no siempre reconocen las señales y el código genético de los genes P450 de plantas. Se necesita investigar para mejorar la “decodificación” de las P450 por parte de las bacterias y tecnologías de cribado para acelerar el desarrollo de nuevas factorías celulares microbianas. Durante los últimos tres años he participado en una excitante investigación liderada por Morten Nørholm en el centro DTU Biosustain en el marco de un proyecto europeo llamado BacTory (Factorias Celulares Bacterianas). El objetivo era aplacar el problema de optimizar la producción de múltiples P450s en un contexto de una inmensa biodiversidad de plantas.

Para averiguar si retocando la secuencia genética de las P450 tendría un efecto bueno o malo sobre los niveles de producción de proteína y orientación a la membrana, necesitábamos una alternativa a los métodos existentes que llevan mucho tiempo. Para resolver este cuello de botella utilizamos un “faro” molecular llamado Proteína Fluorescente Verde (GFP en inglés) originario de la medusa Aequorea victoria que brilla cuando se produce y pliega correctamente la proteína. Cosiendo genéticamente la GFP al extremo final de los genes de nuestras P450, pudimos evaluar las modificaciones genéticas de una forma simple, barata y rápida.

Una vez pudimos seguir la producción con la GFP, expandimos la caja de herramientas de modificaciones genéticas disponible para P450s. Utilizando pequeñas “etiquetas” como bloques genéticos las insertamos en el primer extremo de las P450 que se conoce como N-terminal, de forma que las bacterias pudieran reconocerlas fácilmente. De hecho la mayor parte de estas pequeñas etiquetas pertenece a proteínas bacterianas endógenas que son abundantes en su membrana.

Gracias a la tecnología de GFP y a la nueva caja de herramientas genética, pudimos producir a altos niveles un número de P450s sin precedentes. Además es interesante porque algunas de estas P450s forman parte de la via biosintética del Ingenol de Euphorbia peplus. Para probar que estas etiquetas podrían ser utilizadas para producir compuestos naturales, reconstruimos una via metabólica de planta utilizando P450 individualmente etiquetadas. Por suerte fuimos capaces de producir un compuesto derivado de planta en bacterias a diferentes niveles dependiendo de la etiqueta utilizada. En conjunto con estos hallazgos, sería posible producir compuestos naturales complejos utilizando una estrategia coordinada de optimización de P450s. Lo más importante es que podría facilitar la producción de compuestos químicos complejos de forma sostenible, proporcionando medicinas naturales sin explotar los recursos naturales.

Darío Vázquez-Albacete

Referencias

Chang MC, Eachus RA, Trieu W, Ro DK, Keasling JD: Engineering Escherichia coli for production of functionalized terpenoids using plant P450s. Nat Chem Biol 2007, 3:274-277.

Christensen, U., Vazquez-Albacete, D., Sogaard, K. M., Hobel, T., Nielsen, M. T., Harrison, S. J., Hansen, A. H., Moller, B. L., Seppala, S., Norholm, M. H., 2017. De-bugging and maximizing plant cytochrome P450 production in Escherichia coli with C-terminal GFP fusions. Applied microbiology and biotechnology.

Drew D, Lerch M, Kunji E, Slotboom DJ, de Gier JW: Optimization of membrane protein overexpression and purification using GFP fusions. Nat Methods 2006, 3:303-313.

Nielsen JS, Moller BL: Cloning and expression of cytochrome P450 enzymes catalyzing the conversion of tyrosine to p-hydroxyphenylacetaldoxime in the biosynthesis of cyanogenic glucosides in Triglochin maritima. Plant Physiol 2000, 122:1311-1321.

Paddon, C. J. and J. D. Keasling (2014). "Semi-synthetic artemisinin: a model for the use of synthetic biology in pharmaceutical development." Nat Rev Microbiol 12(5): 355-367.

Podust L, Sherman D: Diversity of P450 enzymes in the biosynthesis of natural products. Natural product reports 2012, 29:1251-1266.

Vazquez-Albacete, D., Cavaleiro, A. M., Christensen, U., Seppala, S., Moller, B. L., Norholm, M. H., 2017. An expression tag toolbox for microbial production of membrane bound plant cytochromes P450. Biotechnology and bioengineering 114, 751-760.

Enlaces

'Chemical warfare' plant enzymes could produce medicine in bacteria

https://www.theguardian.com/environment/2011/nov/10/iucn-red-list-tree-chemotherapy

http://www.nature.com/news/malaria-drug-made-in-yeast-causes-market-ferment-1.12417

Artículo publicado previamente en  www.dariovazquezalbacete.wordpress.com

Sobre el autor

Completé mi graduado en biotecnología en la Universidad de Barcelona en 2012, seguido de un máster en biotecnología avanzada en la Universidad Autónoma de Barcelona. Al terminar mi máster fui admitido en un programa de doctorado puntero para potenciar la producción biológica de compuestos químicos en la Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability de Dinamarca con una beca europea Marie Curie ITN. Allí realicé mi tesis centrada en optimizar la producción de enzimas de plantas implicadas en la síntesis de compuestos de alto valor añadido en bacterias. Al terminar comencé mi estancia postdoctoral en la universidad politécnica de Dinamarca, donde actualmente trabajo, en el campo de la inmunología aplicando mi conocimiento de sistemas de producción biológicos y análisis de bioquímico de proteínas. Durante mi estancia en Dinamarca fundé la sociedad de científicos españoles en Dinamarca junto con otros españoles, con el fin de transmitir a la sociedad la importancia de la investigación y la ciencia para nuestra salud y economía. Divulgar ciencia es una de mis actividades favoritas y mi responsabilidad como científico para que los contribuyentes europeos conozcan los beneficios de la investigación que realizo.

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