Por: Paul Montaño-Silva, Ana Sofía Ramírez-Pelayo, Jesús Urbar-Ulloa, Valentín Navarro-Enguilo y Jorge Verdín (Ciatej)
Los hongos filamentosos son excelentes productores y secretores de proteínas, incluyendo enzimas. Una buena cantidad de estos organismos son, además, capaces de usar residuos lignocelulósicos (los que forman la pared celular de las plantas y que vemos como paja, bagazo, etc.) como sustratos, lo que permitiría disminuir el costo económico y ambiental de los metabolitos que producen. Esto último hace de los hongos filamentosos actores principales de la nueva bioeconomía, muy enfocada en el aprovechamiento sostenible de los recursos naturales.
Es frecuente que los hongos, a pesar de todas sus virtudes, no produzcan el metabolito deseado o no estén adaptados a las condiciones de producción industriales. Esto se debe a que, al igual que todos los organismos, los hongos evolucionan para adaptarse a los retos que les pone su entorno natural, los cuales no son necesariamente los industriales.
Debido a lo anterior, se han generado estrategias de ingeniería genética que permiten la modificación estable de dichos microorganismos para incrementar sus capacidades biotecnológicas, ya sea para adaptarse a las condiciones de producción industriales, o para la producción de una o varias proteínas/enzimas que tienen valor por sí mismas o que catalizan la síntesis de un metabolito biotecnológicamente interesante.
Uno de los enfoques que permite el aumento de las capacidades biotecnológicas de los hongos es el despliegue de proteínas o ingeniería de la superficie celular. El despliegue de proteínas consiste en la fusión genética (co-traduccional) de una proteína que naturalmente reside en la pared celular con otra proteína funcional que puede ser un péptido hidrofóbico (proteína corta poco soluble en agua) o de otra naturaleza, una enzima, un receptor o un anticuerpo, por mencionar sólo algunos. De esta forma, la proteína funcional es transportada e inmovilizada en la superficie junto con la proteína ancla, lo que provee al hongo de propiedades superficiales especiales (hidrofobicidad - poca solubilidad en agua), de unión o catalíticas que antes no tenía. Los hongos con proteínas desplegadas pueden ser utilizados como biocatalizadores de célula completa, biofiltros, vacunas o biosensores, entre otras aplicaciones.
El despliegue de proteínas está muy poco desarrollado en hongos filamentosos. Estos microorganismos son particularmente interesantes para montar estas tecnologías ya que, como se mencionó, la capacidad lignocelulolítica (capacidad de degradar residuos vegetales compuestos de lignina y celulosa) de algunos de ellos podría acoplarse, por mencionar sólo un caso, a la síntesis de un metabolito interesante catalizada por una o varias enzimas desplegadas en cascada en su superficie.
En la Unidad de Biotecnología Industrial del CIATEJ estamos desarrollando sistemas de despliegue de proteínas para hongos filamentosos, especialmente enfocados en el hongo ascomiceto Neurospora crassa. Éste ha sido tradicionalmente usado como modelo de estudio de células eucariotas, pero cuenta con una serie de características (inocuidad, sistema de secreción eficiente y bien estudiado, alta capacidad lignocelulolítica, disponibilidad de información genómica, transcriptómica¾el conjunto de genes que son convertidos a una molécula de RNA en un contexto y momento dados, y que potencialmente pueden llegar a traducirse en una proteína¾y proteómica¾el conjunto de proteínas que son sintetizadas en una célula en un momento y contexto dado¾y, lo principal, es genéticamente manipulable) que lo hace un excelente prospecto para usarse como hongo biotecnológico.
Como parte del proceso de desarrollo, hemos identificado in silico (a través de programas informáticos o, para ser más precisos, bioinformáticos) proteínas putativamente residentes de la pared celular de N. crassa y otros hongos filamentosos con potencial biotecnológico, seguido de la evaluación de un conjunto de esas proteínas como anclas moleculares, cada una con una química de unión diferente a la pared, con la intención de construir un banco de anclas bien caracterizadas que puedan adaptarse a las características de la proteína pasajero sin mermar su actividad biológica.
Hasta ahora hemos abordado el análisis de proteínas que contienen dominios con afinidad por los polisacáridos de la pared celular (unión no covalente), proteínas con modificaciones GPI (glicosilfosfatidilinositol, el grupo más abundante de proteínas residentes de la pared y que se unen covalentemente a la misma) y proteínas PIR (proteínas con repeticiones internas), también covalentemente unidas a la pared. La química de unión a la pared de éstas últimas las hace particularmente interesantes ya que el enlace covalente puede ser revertido con una solución ligeramente alcalina, lo que implica que una proteína inicialmente desplegada con una proteína PIR puede ser removida para dar lugar al despliegue de una segunda. Adicionalmente, estamos explorando la expresión de hidrofobinas [JV1] en células vegetativas de N. crassa. Estas proteínas se depositan en la superficie celular en forma de fibras que están regularmente ordenadas, lo que potencialmente permitiría usarlas como anclas para el despliegue regularmente espaciado de más de una proteína.
Como parte de los resultados de la identificación in silico de proteínas putativamente residentes de la pared celular, se identificó un grupo de enzimas redox con potencial biotecnológico. Este grupo constituiría un caso de proteínas naturalmente desplegadas en la superficie que, en principio, sólo tendrían que ser sobre-expresadas para generar un biocatalizador atractivo.
En el corto plazo, esperamos desplegar proteínas funcionales usando como anclas las proteínas de pared que estamos actualmente caracterizando con el fin de aumentar su capacidad lignocelulolítica para eficientar la obtención de biocombustibles. También exploramos ya otras aplicaciones tales como biofiltros para la captura de metales pesados, y la obtención de compuestos de interés farmacéutico y cosmético.
Referencias
Cell surface display of proteins on filamentous fungi, Urbar-Ulloa J, Montaño-Silva P, Ramírez-Pelayo AS, Fernández-Castillo E, Amaya-Delgado L, Rodríguez-Garay B, Verdín J. Applied Microbiology and Biotechnology (2019), 103, 6949-6972.
Figuras
Figura 1. El despliegue superficial de proteínas en hongos filamentosos y sus aplicaciones.
Figura 2. Neurospora crassa (izquierda) conidiando en un tubo de cultivo, y (derecha) creciendo como micelio en un plato de cultivo (imagen amplificada 40 veces).
Autores
Paul Montaño-Silva, Ana Sofía Ramírez-Pelayo, Jesús Urbar-Ulloa, Valentín Navarro-Enguilo y Jorge Verdín participan en la Unidad de Biotecnología Industrial en el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A.C. (Ciatej).
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[JV1]Las hidrofobinas se definen en la siguiente frase.
