Biotecnología de Nutracéuticos y Compuestos Bioactivos

BIONUC es pionero en el estudio del desarrollo de Streptomyces, y más concretamente en las fases del desarrollo pre-esporulantes que determinan la transición del micelio vegetativo (MI) al micelio diferenciado productor de metabolitos secundarios (MII). De hecho, miembros de nuestro grupo fueron quienes descubrieron la existencia de las fases de MI y MII, que son clave para entender la producción de metabolitos secundarios en Streptomyces. Hasta entonces, no se sabía la relación entre diferenciación y producción; revisado en Manteca and Yagüe (2018) Antibiotics (Basel). Durante el desarrollo de los proyectos (Starting Grant Strp-differentiation; https://cordis.europa.eu/project/rcn/101544_es.html) y BIO2015-65709-R hemos descubierto muchos genes y proteínas diferencialmente expresados durante las fases vegetativa (MI) y reproductiva (MII), conservados en estreptomicetos, pero no caracterizados, que son potenciales reguladores de la diferenciación y producción de metabolitos secundarios. Durante los años 2018-2020 nuestros objetivos estratégicos son seguir generando conocimiento sobre el desarrollo y activación del metabolismo secundario, y explorar las aplicaciones industriales de los resultados ya obtenidos. Más concretamente los objetivos a desarrollar son:

Estudiar la división celular independiente de FtsZ: en un trabajo reciente, demostramos la existencia en Streptomyces, de un sistema de división celular independiente de FtsZ en el que se forman septos formados por membranas sin pared celular, algo inédito hasta la fecha (Yagüe et al., 2016, Nat Commun 7:12467). Esta división celular es la que predomina en el micelio vegetativo no productor de metabolitos secundarios (MI). También demostramos que FtsZ se fosforila diferencialmente durante en el MI y en el micelio productor de metabolitos secundarios (MII). Durante los años 2018-2020 trabajaremos en la caracterización de esta división celular, estudiando si otras proteínas clave de la división celular (DivIVA, SsgB, ParA/B, etc.) participan o no en la misma, y caracterizando el papel de la fosforilación (creando cepas que mimeticen las formas fosforiladas y no fosforiladas de FtsZ, cambiando el aminoácido fosforilado por Glu o Ala respectivamente). Entender este proceso de división celular puede ser muy importante para entender y mejorar la regulación de la producción de metabolitos secundarios, ya que el MI compartimentalizado con septos de membrana, pero sin pared celular, con una frecuencia de separación media de 1 µm, no los produce metabolitos secundarios, y el MII productor sólo tiene septos esporádicos con membrana y pared celular.

Buscar fenotipos relevantes en una colección de mutantes aleatorios de S. coelicolor: Recientemente, en el contexto del proyecto BIO2015-65709-R, hemos creado una colección de 1000 mutantes aleatorios, mediante el uso de un transposón. Ya hemos encontrado varios mutantes en genes no caracterizados y conservados en Streptomyces con fenotipos muy interesantes que pueden arrojar luz sobre la regulación de la diferenciación de Streptomyces. Seguiremos explorando estos mutantes y buscando otros en la colección de mutantes, con el fin de descubrir rutas pleiotrópicas de regulación del metabolismo secundario.

Descubrir nuevos compuestos bioactivos, sobre todo antibióticos, se está haciendo crítico en biomedicina debido al incremento de las resistencias microbianas. La mayoría de los antibióticos que se utilizan actualmente en clínica tienen su origen en cepas de actinomicetos. Pero hoy en día, descubrir nuevos antibióticos a partir de cepas naturales es todo un reto, dado que los análisis están conduciendo al redescubrimiento de antibióticos ya conocidos. Las nuevas aproximaciones experimentales están yendo a explorar ambientes relativamente poco explorados (ecosistemas marinos principalmente), modificar las condiciones de cultivo para acercarlas más a la naturaleza (cocultivos, cámaras de difusión, trampas microbianas, etc.), o el análisis de los genomas “in silico”. Desde BIONUC estamos explorando dos vías relativamente inexploradas: por un lado, activar la producción de rutas crípticas (no expresadas en condiciones habituales de laboratorio) mediante la potenciación de la diferenciación del micelio MII en bacterias del género Streptomyces; y por otro, mediante ingeniería metabólica y biosíntesis combinatoria en Streptomyces albus, expresar de forma heteróloga rutas de biosíntesis de fármacos (antitumorales frente a líneas celulares humanas de carcinoma de colon) y compuestos bioactivos de uso en alimentos funcionales (antioxidantes, antiinflamatorios, etc.).

La hipótesis de trabajo en el primer caso es que parte de las cepas de actinomicetos que no producen metabolitos secundarios en el laboratorio no se han diferenciado a la fase de producción (MII), o esporulan demasiado rápido (las esporas son metabólicamente inactivas y no producen metabolitos secundarios). Se trataría por tanto de falsos negativos. Durante los años 2018-2020 haremos un experimento piloto en colaboración con los grupos de la Dra. O. Genilloud (Fundación Medina, Granada) (http://www.medinadiscovery.com/es/) y el Dr. S. Donadio (NAICONS Srl, Milán) (http://www.naicons.com/). Estos grupos disponen de dos de las mejores colecciones de actinomicetos en Europa, que han servido para descubrir antibióticos muy importantes en clínica. Haremos un experimento piloto con 25 cepas de sus colecciones de actinomicetos, la mayoría no productoras, aunque incluiremos cepas productoras como controles positivos, para explorar si algunas de ellas no producen por qué no se han diferenciado a la fase de MII, y ver si podemos activar su producción siguiendo las aproximaciones experimentales desarrolladas en el proyecto BIO2015-65709-R.

En el segundo caso, ingeniería metabólica y biosíntesis combinatoria, la especie bacteriana que llevamos utilizando desde hace años en BIONUC como factoría bacteriana para la expresión de diversos flavonoides de origen vegetal es S. albus. Hasta el momento se ha conseguido producir en esta bacteria los nutracéuticos apigenina (antiinflamatorio, antioxidante, antitumoral), luteolina (antitumoral, antiinflamatorio), eriodictiol (antioxidante), quercetina, myricetina y kaempferol. Actualmente se están explorando diversas vías de mejora de los niveles de producción mediante ingeniería metabólica sobre las rutas de biosíntesis de los precursores universales de estos flavonoides en la bacteria huésped, en concreto malonil-CoA y L-Tyr.

En esta línea, fruto de varios años de screening sobre miles de extractos celulares procedentes de diversas microalgas, se han identificado nuevos antibióticos en diversas especies de cianobacterias y microalgas eucariotas, dentro del proyecto europeo NOMORFILM. Estas moléculas con actividad antibiótica o antifúngica se han aislado y purificado en cantidades adecuadas para proceder al análisis de sus estructura química y caracterización. Uno de estos nuevos antibióticos posee una estructura totalmente novedosa en la naturaleza, y se explora en la actualidad la generación de posibles derivados del mismo con diversas alteraciones en su estructura. Además, también se explora la activación de rutas crípticas de biosíntesis de metabolitos secundarios con actividad antibiótica o antifúngica en cianobacterias y microalgas eucariotas. Se espera así incrementar el repertorio de nuevas estructuras con actividad antibiótica o antibiofilm descubiertas.

En esta línea de investigación se han desarrollado diversos alimentos funcionales (con flavonoides, fibras prebióticas o ácidos grasos antiinflamatorios) en modelos animales para estas dos patologías digestivas, en colaboración con empresas del sector alimentario (embutidossaludables.com, www.montflorit.es). Estos trabajos han puesto de manifiesto cambios en la microbiota intestinal asociados a especies bacterianas con efectos beneficiosos (antiinflamatorios) y capaces de degradar compuestos prebióticos, generando a nivel del tejido del colon grandes concentraciones de propionato y butirato, importantes compuestos antitumorales, que son capaces de inhibir las histona deacetilasas del colonocito tumoral, induciendo apoptosis en estas células transformadas; mientras que en colonocitos normales ambos ácidos grasos de cadena corta son metabolizados en la mitocondria para producción de energía. Actualmente se trabaja en colaboración con otras empresas del sector alimentario (www.joselito.com), en las cuales se están investigando, en estos mismos modelos animales, las propiedades preventivas frente a colitis ulcerosa.