Biotransformación bacteriana de esteroides

• Autores: Lorena Fernández Cabezón
• Directores de la Tesis: Jose Luis Garcia Lopez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Número de páginas: 200
• Tribunal Calificador de la Tesis: Julian Perera (presid.), María Isabel de la Mata Riesco (secret.), José Luis Barredo Fuente (voc.), Elías Rodríguez Olivera (voc.), María Auxiliadora Prieto Jiménez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Bioquímica, Biología Molecular y Biomedicina
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología molecular
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense (pdf)
• Resumen
  • español

    Los compuestos de estructura esteroídica constituyen una familia de moléculas de gran relevancia biológica por su abundancia en la naturaleza y su participación en un amplio abanico de funciones celulares y fisiológicas en distintos organismos. Desde mediados del siglo XX, se ha incrementado enormemente el número de moléculas esteroideas debido a la síntesis química de un gran número de compuestos xenobióticos con diferentes propiedades farmacológicas.

    El trabajo realizado en esta Tesis Doctoral se ha centrado en el estudio de dos objetivos fundamentales: (i) investigar el catabolismo de esteroides en la bacteria M. smegmatis, que ha sido propuesta como modelo metabólico para el estudio del catabolismo del colesterol en actinobacterias, (ii) investigar el potencial de M. smegmatis como biofactoría celular para la producción de esteroides de interés industrial.

    En relación al primer objetivo de esta Tesis Doctoral, se ha estudiado la mineralización de los esteroides C19 como AD (androstendiona), ADD (androstadiendiona) y 9¿OHAD (hidroxiandrostendiona), que han sido postulados como intermediarios del catabolismo del colesterol en M. smegmatis. En contra de lo que cabría esperar, se ha observado que esta bacteria no puede utilizar los compuestos C19 como única fuente de energía y carbono. Sólo el mutante de deleción en kstR, que expresa constitutivamente los genes del catabolismo del colesterol regulados por el represor KstR, metaboliza el AD y el ADD con ciertas dificultades, pero no el 9¿OHAD, sugiriendo que estos compuestos no son verdaderos intermedarios de la ruta del colesterol. A partir de estos estudios se identificaron diferentes mutantes de M. smegmatis en el gen MSMEG 2868, que codifica un regulador tipo PadR, que metabolizan eficientemente todos los esteroides C19. Estos mutantes en PadR expresan constitutivamente un grupo de genes denominado cluster C19+ (MSMEG 2851 a MSMEG 2901), que codifican distintas enzimas metabolizadoras de esteroides, que permanecen esencialmente silenciados en condiciones de cultivo convencionales. Estos genes son responsables de la metabolización de esteroides C19 en los mutantes en PadR. El cluster C19+ aparentemente ha evolucionado independientemente del regulón kstR del colesterol, pero ambos convergen en el regulón kstR2 responsable del metabolismo de los anillos C y D de los esteroides. Se han identificado clusters C19+ homólogos en otras actinobacterias que metabolizan esteroides, pero notablemente este cluster está ausente en M. tuberculosis. La identificación de este nuevo cluster génico ha permitido el descubrimiento de nuevas actividades enzimáticas de interés industrial (p. ej., KstD deshidrogenasa, KshA hidroxilasa) y ha abierto la puerta al diseño de biocatalizadores celulares más robustos para la producción de esteroides.

    En relación al segundo objetivo, se ha estudiado la aplicación de los conocimientos anteriores para utilizar M. smegmatis como biofactoría celular en la producción de esteroides. Para ello, se ha investigado el uso de esta bacteria modelo en tres procesos de relevancia industrial: (i) producción de 9aOHAD a partir de esteroles, (ii) producción de testosterona, (iii) modificaciones esteroideas catalizadas por enzimas KstD y KshA. Los resultados obtenidos han aportado las pruebas de concepto que apoyan la utilización de M. smegmatis como un biocatalizador ideal para la implementación de metodologías de Ingeniería Metabólica y Biología Sintética en el desarrollo de bioprocesos industriales para la producción de esteroides a la carta.

  • English

    Steroid compounds are a family of molecules of great biological importance due to their abundance in nature and their participation in a wide range of cellular and physiological functions in different organisms (Lednicer, 2011; Nelson and Cox, 2012). Since the mid-twentieth century, the number of steroid molecules has increased considerably due to the chemical synthesis of a large number of xenobiotic compounds with different pharmacological properties. The study of microbial pathways of steroid degradation has aroused great interest in the scientific community in recent decades, driven by the abundance of natural steroids and the considerable increase of xenobiotic steroid contaminants in the environment (García et al., 2012). A considerable number of these studies have been performed with Actinobacteria (Actinomycetes) and in particular, with representatives of the suborder Corynebacterineae such as Mycobacterium, Rhodococcus and Gordonia. These genera include pathogenic bacteria such as Mycobacterium tuberculosis or Rhodococcus equi, and non-strictly pathogenic or saprophyte bacteria such as Mycobacterium smegmatis, Gordonia neofelifaecis and Rhodococcus jostii. The most important advances in this field have been achieved in the study of cholesterol catabolism, largely due to the role of this molecule in the pathogenesis of M. tuberculosis. However, actinobacteria usually contain several gene clusters involved in the steroid catabolism, which confer on them the ability to mineralize a wide range of steroids (e. g., sterols, bile acids, testosterone, progesterone). The complexity of the steroid molecules and consequently of their degradation processes makes the study of these pathways especially difficult. On the other hand, microbial biocatalysts have been used for decades to facilitate the synthesis of new steroid molecules in the pharmaceutical industry (Donova and Egorova, 2012). For this purpose, different environmentally isolated microorganisms improved by means of conventional random mutation and selection techniques have been traditionally used in biotransformation processes. However, it has recently begun to explore the implementation of Metabolic Engineering and Synthetic Biology approaches for the development of improved biocatalysts à la carte. In this way, in recent years there has been a convergence of interests between the study of steroid catabolic pathways and the design of biocatalysts á la carte for industrial purposes. This Doctoral Thesis is part of this new experimental approach...