Biotransformación bacteriana de esteroides

Resumen

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.