Generación de un nuevo antibiótico por ingeniería metabólica

Actualmente uno de los mercados más fuertes dentro de la biotecnología son los antibióticos, esas sustancias que nos meten por los ojos y oídos por todos lados ante el imperativo de no tomarlos a la ligera para evitar que los organismos a los que buscan eliminar desarrollen resistencia frente a ellos. Ante la respuesta de adaptación a esta clase de medicamentos, es necesaria la obtención de unos nuevos o de mejora de los existentes, de tal forma que podamos seguir combatiendo las infecciones bacterianas de forma eficiente. Una de las formas de conseguir mejorar la productividad de esta clase de medicamente es mediante la INGENIERÍA METABÓLICA.

Dentro de los antibióticos hay gran variedad de grupos, pero los más conocidos son los β-lactámicos, total, ¿quién no ha escuchado nunca hablar de la penicilina? Dentro de esto grupo aparecen otra familia de antibióticos, conocidos como las cefalosporinas que son superiores a las penicilinas. ¿Por qué? Porque presentan un mayor espectro (son capaces de atacar a mayor variedad de patógenos), mayor potencia (son más efectivos frente a ellos), baja toxicidad (no nos hacen demasiado daño a nosotros) y presentan resistencia a la β-lactamasa (enzima que ataca a los antibióticos penicilánicos y los degrada, y por tanto, hace a las bacterias resistentes frente a ellos).

Acremonium

Hasta aquí todo bien, salvo un pequeño problema: el organismo productor de las cefalosporinas es Acremonium chrysogenum  que presenta un rendimiento más bien bajo. Para solucionar esto se modificó el genoma de otro microorganismo, muy conocido dentro de la biotecnología, Penicillium chrysogenum que es capaz de producir un metabolito, el primero de la ruta de biosíntesis de la ruta de las cefalosporinas, llamado: 7-ADCA (ácido adipoil-7-aminodesacetoxicefalosporánico y... SÍ, YO TAMBIÉN HE TENIDO QUE LEERLO VARIOS VECES PARA QUE SUENE ALGO CON SENTIDO EN MI CABEZA, MALDIGAMOS A LOS QUÍMICOS ORGÁNICOS POR TALES PALABROS, NO PODÍAN LLAMARLO EUFRASIO)

Veamos cómo lo hacen:

Penicillium

Primero obtienen el gen cefEF de A. chrysogenum. Pero la pregunta es…. ¿cómo se puede hacer eso? Pues vamos a verlo, ¿no? Existe una técnica dentro de la biología molecular, cuyas iniciales son PCR (reacción en cadena de la polimerasa) que consiste en la obtención de un fragmento de ADN que aparece flanqueado por dos secuencias de ADN que nosotros conocemos. Lo que hacemos es introducir dos fragmentos complementarios a esas secuencias flanqueantes, conocidos como primers, en la reacción y que restringe el fragmento que vamos a amplificar, a través de una serie de reacciones encadenadas y cíclicas amplificamos este ADN y lo recuperamos (aquí teneís un vídeo explicatorio de la PCR y... ¡¡CON ACENTO ARGENTINO!! http://www.youtube.com/watch?v=Kuy4PDb6bdU). En los primers nosotros podemos introducir ciertas modificaciones, como por ejemplo, regiones de corte de enzimas de restricción, que son las tijeras de los biólogos moleculares. Estas enzimas cortan esta secuencia y luego gracias a las ligasasas, que serían el pegamento, podemos llevarnos nuestro fragmento de interés a un plásmido, que sería el almacén. Los plásmidos son ADN circular y en nuestro caso presenta una zona que determinará que se sintetice nuestra proteína (el promotor) y otra zona que determinará el final de la trascripción (el terminador).

Pues bien, esta técnica se aplica en dos genes diferentes, uno es conocido como cefEF y que corresponde (la palabra correcta es ‘codifica’) a una proteína llamada expandasa/hidroxilasa, que se encarga de reestructura el metabolito, de tal forma que pase de la familia de la penicilina a la familia de la cefalosporina, y además la modifica, añadiéndole un grupo –OH, la hidroxila.

Streptomyces

Por otro lado, se obtiene otro gen, este Streptomyces clavuligerus, y que responde al nombre cmcH, codificando a una enzima conocida como 3’-hidroximetilcefen-O-carbamoiltransferasa, que se encarga de modificar de nuevo el metabolito (carbamoilación), sobre la modificación que produjo la anterior enzima, produciendo así el metabolito final que queríamos obtener adACCA (venga, os prometo que ya es el último palabro: ácido adipoil-7-amino-3-carbamoiloximetil-3-cefem-4-carboxílico).

Estos dos genes se introducen plásmido y una vez lo tenemos se lo metemos (transformamos, o mejor dicho, al meter dos plásmidos co-transformamos) a P. chrysogenum, lo que nos dará una cepa productora de el antibiótico, que servirá como base para la síntesis química de gran cantidad de antibióticos.

Así es como a partir de la introducción de sólo dos genes, hemos conseguido generar un nuevo organismo productor de antibióticos. ¿Es o no es útil la ingeniería metabólica?

Si quieres ver la ruta completa, haz click aquí.

Fuente: Engineering of Penicillium chrysogenum for fermentative production of a novel carbamoylated cephem antibiotic precursor. Diana M. Harris et al. Metabolic Engineering 11 (2009)