ES2267092T3 - Expresion de fitasa en plantas. - Google Patents
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Abstract
ESTA INVENCION FACILITA LA EXPRESION DE FITASA EN PLANTAS TRANSGENICAS U ORGANOS DE PLANTAS, Y METODOS PARA PRODUCIR ESTAS PLANTAS. SE FACILITAN CONSTRUCCIONES DE EXPRESION DE ADN PARA LA TRANSFORMACION DE PLANTAS CON UNA FITASA QUE CODIFICA UN GEN BAJO CONTROL DE SECUENCIAS REGULATORIAS CAPACES DE DIRIGIR LA EXPRESION DE FITASA. ESTAS SECUENCIAS REGULADORAS INCLUYEN SECUENCIAS CAPACES DE DIRIGIR EL TRASLADO EN PLANTAS, TANTO CONSTITUITIVAMENTE, COMO EN ETAPA Y/O TEJIDOS ESPECIFICOS, DEPENDIENDO DEL USO DE LA PLANTA O SUS PARTES. LAS PLANTAS TRANSGENICAS Y ORGANOS DE PLANTAS SUMINISTRADAS PARA ESTA INVENCION PUEDEN APLICARSE A VARIOS PROCESOS INDUSTRIALES TANTO DIRECTAMENTE, P. EJ. EN ALIMENTOS DE ANIMALES O ALTERNATIVAMENTE, LA FITASA EXPRESADA PUEDE EXTRAERSE Y SI SE DESEA, PURIFICARSE ANTES DE LA APLICACION.
Description
Expresión de fitasa en plantas.
La presente invención está relacionada con la
producción de fitasa en plantas transgénicas y el uso de la fitasa
producida de ese modo en procesos industriales.
El fósforo es un elemento esencial para el
crecimiento de todos los organismos. En la producción pecuaria, el
pienso se debe complementar con fósforo inorgánico para obtener un
buen nivel de crecimiento de los animales monogástricos (por
ejemplo, cerdos, aves de corral y peces).
En contraste, no es necesario agregar fosfato
inorgánico al forraje de los rumiantes. Los microorganismos,
presentes en el rumen, producen enzimas que catalizan la conversión
del fitato
(mio-inositolhexakis-fosfato) a
inositol y fosfato inorgánico.
El fitato está presente como una fuente de
almacenamiento de fósforo en prácticamente todos las sustancias
alimentarias de origen vegetal (por una revisión consulte: Phytic
acid, chemistry and applications, E. Graf (ed.), Pilatus Press;
Minneapolis, MN, EE.UU (1986)). El fitato comprende un 1 a 3% de
todos los frutos secos, cereales, legumbres, semillas oleaginosas,
esporas y polen. Las sales complejas del ácido fítico se denominan
fitina. El ácido fítico se considera un factor antinutritivo puesto
que forma quelatos con minerales como calcio, cinc, magnesio, hierro
y también puede reaccionar con proteínas, reduciendo de ese modo la
biodisponibilidad de las proteínas y de los minerales importantes
desde el punto de vista nutritivo.
El fósforo del fitato pasa a través del aparato
digestivo de los animales monogástricos y se excreta en el
estiércol. Aunque se produce algo de hidrólisis del fitato en el
colon, el fósforo inorgánico liberado de este modo no tiene valor
nutritivo puesto que el fósforo inorgánico se absorbe sólo en el
intestino delgado. En consecuencia, una cantidad significativa del
fósforo importante desde el punto de vista nutritivo no es utilizada
por los animales monogástricos, a pesar de su presencia en los
alimentos.
La excreción de fósforo del fitato en el
estiércol tiene consecuencias adicionales. La producción pecuaria
intensiva ha aumentado enormemente durante las últimas décadas. Por
consiguiente, la cantidad de estiércol producido ha aumentado
correspondientemente y ha causado problemas ambientales en diversas
partes del mundo. Esto se debe, en parte, a la acumulación de
fosfato del estiércol en las aguas superficiales lo que ha provocado
eutroficación.
Las enzimas producidas por microorganismos, que
catalizan la conversión del fitato a inositol y fósforo inorgánico
son ampliamente conocidas como fitasas. Los microorganismos que
producen fitasas comprenden bacterias como Bacillus subtilis
(V.K. Paver y V.J. Jagannathan (1982) J. Bacteriol. 151,
1102) y Pseudomonas (D.J. Cosgrove (1970) Austral. J. Biol.
Sci. 23, 1207); levaduras como Saccharomyces
cerevisiae (N.R. Nayini y P. Markakis (1984) Lebensmittel
Wissenschaft und Technologie 17, 24); y hongos como
Aspergillus terreus (K. Yamada, Y. Minoda y S. Yamamoto
(1986) Agric. Biol. Chem. 32, 1275). Se sabe que otras varias
especies de Aspergillus producen fitasa, de las cuales, se ha
determinado que la fitasa producida por Aspergillus ficuum
posee uno de los más altos niveles de actividad específica, y que
también tiene mejor termoestabilidad que las fitasas producidas por
otros microorganismos (van Gorcom et al. (1991) Solicitud de
Patente Europea 89202436.5, Publicación Nº. 0 420 358, presentada
el 27 de septiembre de 1989).
Las fitasas también están endógenamente
presentes en muchas especies vegetales (consulte Loewus, F.A. (1990)
en: Plant Biology vol. 9: "Inositol metabolism in
plants" (eds. D.J. Morré, W.F. Boss, F.A. Loewus) 13). Gellatly,
K.S, y Lefebvre, D.D. ((1990) Plant Physiology (supplement),
93, abstract 562) mencionan el aislamiento y la
caracterización de un clon de ADNc de fitasa obtenido de tubérculos
de papa. Gibson, D.M. et al. y Christen, A.A. et al.
((1988) J. Cell Biochem., 12C, abstracts L407 y L402,
respectivamente) mencionan la síntesis de fitasa endógena durante la
germinación de semillas de soja. Sin embargo, las fitasas vegetales
se producen normalmente en cantidades insuficientes para su
aplicación en procesos industriales, por sí mismas.
La idea de agregar fitasa microbiana a los
piensos de los animales monogástricos ha sido previamente descrita
(Ware, J.H., Bluff, L. y Shieh, T.R. (1967) U.S. Patent Nº.
3,297,548; Nelson, T.S., Shieh, T.R., Wodzinski, R.J. y Ware, J.H.
(1971) J. Nutrition 101, 1289). Hasta la fecha, sin embargo,
la aplicación de esta idea no ha sido comercialmente factible,
debido al elevado costo de producción de las enzimas microbianas
(Y.W. Han (1989) Animal Feed Sci. and Technol. 24, 345). Por
razones económicas, todavía se sigue agregando fósforo inorgánico a
los piensos de los animales monogástricos.
Asimismo las fitasas han encontrado otros usos
industriales. Un ejemplo de tales utilidades es un proceso
industrial para la producción de almidón a partir de cereales como
maíz y trigo. Los productos de desecho que comprenden p. ej.,
piensos de gluten de maíz provenientes de un proceso de molienda
húmeda como ese, se venden como alimentos para animales. Durante el
proceso de maceración se puede complementar con fitasa. Las
condiciones (T \approx 50ºC y pH = 5,5) son ideales para las
fitasas fúngicas (consulte p. ej. Solicitud de patente europea 0 321
004 para Alko Ltd.). De manera ventajosa, los piensos derivados de
los productos de desecho de este proceso contienen fosfato en lugar
de fitato.
También se ha concebido que las fitasas se
pueden utilizar en el procesamiento de la soja (consulte Finase™
Enzymes by Alko, un folleto informativo del producto publicado
por Alko Ltd., Rajamäki, Finlandia). La harina de soja contiene
altos niveles del factor antinutritivo fitato que torna esta fuente
de proteínas inadecuada para la aplicación en alimentos para bebés y
piensos para peces, terneros y otros no rumiantes. El aumento
enzimático de esta valiosa fuente de proteínas mejora el valor
nutritivo y comercial de este material.
Se ha propuesto la posibilidad de usar plantas
transgénicas como un sistema de producción de proteínas valiosas.
Los ejemplos hasta la fecha son la producción de interferón en
tabaco (Goodman, R.M., Knauf, V.C., Houck, C.M. y Comai, L. (1987)
PCT/WO 87/00865), encefalinas en tabaco, Brassica napus y
Arabidopsis thaliana (Vandekerckhove, J., Van Damme, J., Van
Lijsebettens, M., Botterman, J., DeBlock, M., DeClerq, A., Leemans,
J., Van Montagu, M. y Krebbers, E. (1989) Bio/Technol. 7, 929),
anticuerpos en tabaco (Hiatt, A., Cafferkey, R. y Boedish, K. (1990)
Nature 342, 76) y albúmina sérica humana en tabaco y papa (Sijmons,
P.C., Dekker, B.M.M., Schrammeijer, B., Verwoerd, T.C., van den
Elzen, P.J.M. y Hoekema, A. (1990) Bio/Technol. 8, 217).
En la práctica, la transformación de un número
creciente de especies vegetales, especialmente las especies
dicotiledóneas (por ejemplo, tabaco, papa, tomate, Petunia,
Brassica), se ha vuelto un procedimiento de rutina para los
trabajadores con experiencia en el tema (Klee, H., Horsch, R. y
Rogers, S. (1987) Annu. Rev. Plant Physiol. 38, 467; Gasser C.S. y
Fraley, R.T. (1989) Science 244, 1293). Las estrategias para la
expresión de genes extraños en las plantas se han vuelto muy
arraigadas (Gasser y Fraley, supra). Se han identificado
secuencias reguladoras de genes de plantas que se usan para la
construcción de genes híbridos que pueden ser expresados
funcionalmente en plantas y células de plantas.
Para la introducción de construcciones de genes
en plantas, se dispone de varias tecnologías, como transformación
con Agrobacterium tumefaciens o Agrobacterium
rhizogenes. Usando esta estrategia, se han explotado una amplia
variedad de tejidos de plantas, dependiendo la elección en gran
parte de la especie vegetal y de su susceptibilidad al cultivo
tisular. Son ejemplos exitosos la transformación de protoplastos,
microesporas o polen y explantes como hojas, tallos, raíces,
hipocotilos y cotilos. Además, se usan métodos para la introducción
directa de ADN en protoplastos y células o tejidos vegetales como
microinyección, electroporación, bombardeo de partículas y captación
directa de ADN (Gasser y Fraley, supra).
Se pueden producir proteínas en plantas usando
una diversidad de sistemas de expresión. Por ejemplo, el uso de un
promotor constitutivo como el promotor 35S del virus del mosaico de
la coliflor (CaMV) (Guilley, H., Dudley, R.K., Jonard, G., Balazs,
E. y Richards, K.E. (1982) Cell 30, 763) dará lugar a la
acumulación de la proteína expresada en todos los órganos de la
planta transgénica. Alternativamente, se puede hacer uso de
promotores provenientes de genes que codifican proteínas que se
expresan de manera muy específica en un tejido y en una etapa
(Higgins, T.J.V., (1984) Annu. Rev. Plant Physiol. 35, 191;
Shotwell, M.A. y Larkins, B.A. (1989) En: The biochemistry of
plants Vol. 15 (Academic Press, San Diego: Stumpf, P.K. y Conn,
E.E., eds.), 297), es decir, los genes se expresan sólo en el tejido
diana y únicamente durante la etapa deseada del desarrollo.
Se apreciará que un procedimiento económico para
la producción de fitasa será significativamente beneficioso para,
entre otras cosas, la industria de los piensos. Un método para
producir una fitasa más económica sería el uso de técnicas de
ingeniería genética para producir plantas transgénicas u órganos de
plantas transgénicas capaces de expresar fitasa la que a su vez se
puede agregar después como tal, por ejemplo, a alimentos para
animales o piensos para el consumo directo de los animales.
Alternativamente, la fitasa expresada en estas plantas transgénicas
u órganos de plantas transgénicas podría extraerse y si se desea,
purificarse para la aplicación deseada.
La presente invención prevé la expresión de
fitasa microbiana en plantas transgénicas u órganos de plantas
transgénicas y métodos para la producción de dichas plantas. Esto se
logra a través de la introducción en la planta de un constructo de
expresión que comprende una secuencia de ADN de origen microbiano
que codifica una proteína que tiene actividad de fitasa.
Los constructos de expresión de ADN
proporcionados por la presente invención para la transformación de
las plantas están bajo el control de secuencias reguladoras que son
capaces de dirigir la expresión de la fitasa. Estas secuencias
reguladoras también pueden incluir secuencias capaces de dirigir la
transcripción en las plantas, o bien constitutivamente o de manera
específica en una etapa y/o un tejido, dependiendo del uso de la
planta o de las partes de ésta.
Las plantas transgénicas y los órganos de
plantas transgénicas proporcionados por la presente invención se
pueden aplicar a una diversidad de procesos industriales
directamente, p. ej. en alimentos para animales o piensos o
alternativamente se puede extraer la fitasa expresada y si se desea,
purificarla antes de su aplicación.
Figura 1. Estrategia para la clonación del ADNc
de la fitasa.
Figura 2. Secuencia nucleotídica de la región
traducida del fragmento de ADNc de la fitasa y de la secuencia
derivada de aminoácidos de la proteína fitasa; el inicio de la
proteína fitasa madura se indica como la posición +1.
Figura 3. Vector binario pMOG23.
Figura 4. Oligonucleótidos bicatenarios usados
en clonación.
Figure 5. Plásmido pMOG29. Plásmido pUC18 que
contiene un casete de expresión para la expresión constitutiva en
plantas y una secuencia que codifica un péptido señal del
tabaco.
Figura 6. Efectos del agregado de semillas
molidas que contienen fitasa sobre la liberación de fósforo
inorgánico del fitato.
Figura 7. Relación
dosis-respuesta de la fitasa de Aspergillus
en un modelo de digestión in vitro.
Figura 8. Relación
dosis-respuesta de la fitasa de Aspergillus y
de la fitasa contenida en la semilla de tabaco en un modelo de
digestión in vitro.
De acuerdo con la presente invención, se
obtienen plantas transgénicas u órganos de plantas transgénicas en
las cuales se produce fitasa microbiana. Esto se logra a través de
la introducción en la planta de un constructo de expresión que
comprende una secuencia de ADN de origen microbiano que codifica una
proteína que tiene actividad de fitasa.
La presente invención proporciona constructos de
expresión de ADN para la transformación estable de plantas con un
gen de origen microbiano que codifica una fitasa. Estos constructos
comprenden una secuencia de ADN que codifica una fitasa que está
funcionalmente ligada a secuencias reguladoras que son capaces de
dirigir la expresión de la fitasa. Estas secuencias reguladoras
también pueden incluir secuencias capaces de dirigir la
transcripción en plantas, o bien
constitutivamente o de manera específica en una etapa y/o un tejido, dependiendo del uso de la planta o partes de ésta.
constitutivamente o de manera específica en una etapa y/o un tejido, dependiendo del uso de la planta o partes de ésta.
Los constructos de expresión proporcionados por
la presente invención se pueden insertar en un vector,
preferentemente un plásmido, utilizado en la transformación mediada
por bacterias de la planta huésped seleccionada. Preferentemente el
constructo de expresión se integra después en el genoma de la planta
huésped.
Dentro del contexto de la presente invención, el
término fitasa abarca una familia de enzimas que catalizan
reacciones que implican la liberación de fósforo inorgánico de
diversos fosfatos de mioinositol. Se comprende que esto abarca todas
las proteínas que tienen actividad de fitasa.
La secuencia de ADN que codifica la fitasa se
puede obtener de una diversidad de fuentes microbianas como los
hongos filamentosos Aspergillus. Las secuencias de ADN que
más se prefieren se obtienen de Aspergillus ficuum, Aspergillus
niger, Aspergillus awamori y Aspergillus nidulans.
La clonación de un gen o de un ADNc que
codifican una proteína fitasa se puede lograr usando varios métodos.
Un método es mediante purificación de la proteína fitasa, posterior
determinación de la secuencia de aminoácidos
N-terminal y de varias secuencias internas y
clasificación de una biblioteca genómica o de ADNc del organismo que
produce la fitasa, usando sondas de oligonucleótidos basadas en las
secuencias de aminoácidos.
Si se conoce al menos una secuencia parcial del
gen, esta información se puede usar para clonar el ADNc
correspondiente usando, por ejemplo, la reacción en cadena de la
polimerasa (PCR por sus siglas en inglés) (PCR Technology:
Principles and Applications for DNA Amplification, (1989) H.A.
Ehrlich, ed., Stockton Press, Nueva York).
Será evidente a los técnicos con experiencia en
el tema que se puede usar el gen clonado de la fitasa descrito
anteriormente en experimentos de hibridación heteróloga, dirigidos
al aislamiento de genes que codifican fitasa de otros
microorganismos.
En otro aspecto, el gen clonado de la fitasa
descrito antes se puede usar como material de partida para la
construcción de fitasas de "segunda generación". Las fitasas de
"segunda generación" son fitasas, alteradas por técnicas de
mutagénesis (p. ej. mutagénesis sitio-dirigida), que
tienen propiedades que difieren de las de las fitasas de tipo
salvaje o de las fitasas recombinantes como las producidas por la
presente invención. Por ejemplo, la temperatura o el pH óptimos, la
actividad específica o la afinidad por el sustrato se pueden
alterar para que sean más adecuados para la aplicación en un proceso
definido.
El aislamiento del ADNc que codifica la fitasa
permite la construcción de constructos de expresión capaces de
dirigir la producción de fitasa en la planta huésped seleccionada
mediante la aplicación de técnicas de ingeniería genética como el
intercambio de elementos reguladores como p. ej. promotores, señales
secretoras, o combinaciones de éstos.
La fitasa se puede producir constitutivamente en
las plantas transgénicas durante todas las etapas del desarrollo.
Dependiendo del uso de la planta o de los órganos de la planta, las
enzimas se pueden expresar de manera específica en una etapa, por
ejemplo durante la formación del tubérculo o el desarrollo del
fruto. También, dependiendo del uso, las enzimas se pueden expresar
específicamente en un tejido, por ejemplo en los órganos de las
plantas como el fruto, los tubérculos, las hojas o las semillas.
Las plantas transgénicas, como se definen en el
contexto de la presente invención incluyen plantas (así como partes
y células de dichas plantas) y su progenie, que hayan sido
genéticamente modificadas utilizando técnicas de ingeniería genética
para causar o aumentar la producción de una fitasa en la planta o el
órgano de la planta deseados.
En el contexto de la presente invención, la
frase "una cantidad aumentada de fitasa" se refiere
específicamente a una cantidad estadísticamente significativa de
tejido de la planta que, en promedio, contenga una mayor cantidad
estadísticamente significativa de fitasa en comparación con la
cantidad promedio de enzima fitasa encontrada en una cantidad igual
de tejido de planta sin modificar.
Dentro del contexto de la presente invención,
las plantas que se pueden seleccionar incluyen, pero no están
limitadas a los cultivos productores de flores comestibles como
coliflor (Brassica oleracea), alcachofa (Cynara
scolymus), frutos como manzana (Malus, p. ej.,
domesticus), plátano (Musa, p. ej., acuminata),
bayas (como la grosella, Ribes, p. ej., rubrum),
cerezas (como la cereza dulce, Prunus, p. ej., avium),
pepino (Cucumis, p. ej., sativus), uva (Vitis,
p. ej., vinifera), limón (Citrus limon), melón
(Cucumis melo), frutos secos como nuez (Juglans, p.
ej., regia; maní, Arachis hypogeae), naranja
(Citrus, p. ej., maxima), durazno (Prunus, p.
ej., persica) pera (Pyra, p. ej., communis),
ciruela (Prunus, p. ej., domestica), frutilla
(Fragaria, p. ej., moschata), tomate
(Lycopersicon, p. ej., esculentum), hojas, como
alfalfa (Medicago, p. ej., sativa), repollo (p. ej.,
Brassica oleracea), endivia (Cichoreum, p. ej.,
endivia), puerro (Allium, p. ej., porrum),
lechuga (Lactuca, p. ej., sativa), espinaca
(Spinacia p. ej., oleraceae), tabaco
(Nicotiana, p. ej., tabacum), raíces, como arrurruz
(Maranta, p. ej, arundinacea), remolacha (Beta,
p. ej., vulgaris), zanahoria (Daucus, p. ej.,
carota), yuca (Manihot, p. ej. esculenta), nabo
(Brassica, p. ej., rapa), rábano (Raphanus, p.
ej., sativus), ñame (Dioscorea, p. ej.,
esculenta), batata (Ipomoea batatas) y semillas, como
frijol (Phaseolus, p. ej., vulgaris), guisante
(Pisum, p. ej., sativum) soja (Glycin, p. ej.,
max) trigo (Triticum, p. ej., aestivum),
cebada (Hordeum, p. ej., vulgare), maíz (Zea,
p. ej., mays), arroz (Oryza, p. ej., sativa),
colza (Brassica napus), mijo (Panicum L.), girasol
(Helianthus annus), avena (Avena sativa), tubérculos,
como col (Brassica. p. ej., oleraceae), papa
(Solanum, p. ej., tuberosum) y similares.
La elección de la especie de la planta se
determina principalmente por el uso al que está destinada la planta
o las partes de ésta y la susceptibilidad de las especies de la
planta a la transformación.
Se dispone de varias técnicas para la
introducción del constructo de expresión que contiene la secuencia
de ADN que codifica la fitasa en las plantas diana. Dichas técnicas
incluyen pero no exclusivamente la transformación de protoplastos
usando el método de calcio/polietilenglicol, la electroporación y
microinyección o el bombardeo de partículas (recubrimiento)
(Potrykus, I. (1990) Bio/Technol. 8, 535).
Además de estos métodos denominados de
transformación directa de ADN, existe una amplia disponibilidad de
sistemas de transformación que involucran vectores, como los
vectores víricos (p. ej., el virus del mosaico de la coliflor (CaMV)
y vectores bacterianos (p. ej., del género Agrobacterium)
(Potrykus, supra). Después de la selección y/o clasificación,
los protoplastos, células o partes de plantas que hayan sido
transformados se pueden regenerar en plantas enteras, usando métodos
conocidos por los técnicos con experiencia en el tema (Horsch, R.B.,
Fry, J.E., Hoffmann, N.L., Eichholtz, D., Rogers, S.G. y Fraley,
R.T. (1985) Science 227, 1229). La elección de las técnicas
de transformación y/o regeneración no es crítica para esta
invención.
Para las dicotiledóneas, una materialización
preferida de la presente invención usa el principio del sistema de
vector binario (Hoekema, A., Hirsch, P.R., Hooykaas, P.J.J. y
Schilperoort, R.A. (1983) Nature 303, 179; Schilperoort,
R.A., Hoekema, A. y Hooykaas, P.J.J. (1984) Solicitud de patente
europea Nº 0 120 516) en el cual se usan cepas de
Agrobacterium que contienen un plásmido vir con los
genes de virulencia y un plásmido compatible que contiene el
constructo del gen que se va a transferir. Este vector se puede
replicar tanto en E. coli como en Agrobacterium, y se
deriva del vector binario Binl9 (Bevan, M. (1984) Nucl. Acids Res.
12, 8711) el que es alterado en detalles que no son
importantes para esta invención. Los vectores binarios como los que
se usan en este ejemplo contienen entre las secuencias de los bordes
izquierdo y derecho del ADN-T, un gen NPTII idéntico
que codifica la resistencia a la kanamicina (Bevan, supra) y
un sitio de clonación múltiple para clonarse en los constructos
génicos necesarios.
La transformación y regeneración de los cultivos
de monocotiledóneas no es un procedimiento estándar. Sin embargo, el
progreso científico reciente muestra que en principio las
monocotiledóneas son susceptibles de transformación y que se pueden
regenerar plantas transgénicas fértiles a partir de las células
transformadas. El desarrollo de sistemas de cultivos tisulares
reproducibles para estos cultivos vegetales, junto con métodos
potentes para la introducción del material genético en las células
de las plantas ha facilitado la transformación. Actualmente los
métodos de elección para la transformación de monocotiledóneas son
el bombardeo de microproyectiles de los explantes o las células en
suspensión y la captación directa de ADN o la electroporación de los
protoplastos. Por ejemplo, se han obtenido con éxito plantas de
arroz transgénico usando el gen bacteriano hph, que codifica la
resistencia a la higromicina, como un marcador de selección. El gen
se introdujo por electroporación (Shimamoto, K., Terada, R., Izawa,
T. y Fujimoto, H. (1989) Nature 338, 274). Se obtuvieron plantas de
maíz transgénico introduciendo el gen bar del Streptomyces
hygroscopicus, que codifica la
fosfinotricin-acetiltransferasa (una enzima que
inactiva el herbicida fosfinotricina), en células embrionarias de un
cultivo en suspensión de maíz por bombardeo de micropartículas
(Gordon-Kamm, W.J., Spencer, T.M., Mangano, M.L.,
Adams, T.R., Daines, R.J., Start, W.G., O'Brien, J.V., Chambers
S.A., Adams Jr., W.R., Willets, N.G., Rice, T.B., Mackey, C.J.,
Krueger, R.W., Kausch, A.P. y Lemaux, P.G. (1990) The Plant Cell
2, 603). Se ha informado de la introducción de material
genético en protoplastos de aleuronas de otros cultivos de
monocotiledóneas como el trigo y la cebada (Lee, B., Murdoch, K.,
Topping, J., Kreis, M. y Jones, M.G.K. (1989). Plant. Mol. Biol.
13, 21). Se han regenerado plantas de trigo a partir de
cultivos embriogénicos en suspensión seleccionando sólo tejidos de
callos envejecidos compactos y embriogénicos nodulares para el
establecimiento de cultivos embriogénicos en suspensión (Vasil, V.,
Redway, F. y Vasil, I.K. (1990) Bio/Technol. 8, 429). La
combinación con sistemas de transformación para estos cultivos
permite la aplicación de la presente invención a las
monocotiledóneas. Estos métodos también se pueden aplicar para la
transformación y la regeneración de dicotiledóneas.
El constructo de expresión de la fitasa incluye
detalles como la transcripción del gen por las polimerasas de la
planta, la traducción del ARNm, etc. que son conocidos por las
personas con experiencia en las técnicas de ingeniería genética.
Sólo los detalles pertinentes para la comprensión adecuada de esta
invención se analizan más adelante.
Las secuencias reguladoras que se sabe o se
encuentra que causan expresión de la fitasa se pueden usar en la
presente invención. La elección de las secuencias reguladoras
utilizadas depende del cultivo diana y/o del órgano diana de
interés. Dichas secuencias reguladoras se pueden obtener de las
plantas o de los virus de las plantas o se pueden sintetizar
químicamente. Dichas secuencias reguladoras son promotores activos
en la dirección de la transcripción en las plantas, ya sea
constitutivamente o de manera específica en una etapa y/o un tejido,
dependiendo del uso de la planta o de las partes de ésta. Estos
promotores incluyen, pero no están limitados a los promotores que
muestran expresión constitutiva, como el promotor 35S del virus del
mosaico de la coliflor (CaMV) (Guilley et al. (1982) Cell
30, 763), los de expresión específica en la hoja, como el
promotor del gen de la subunidad pequeña de ribulosa bisfosfato
carboxilasa (Coruzzi et al, (1984) EMBO J. 3, 1671),
los de expresión específica en las raíces, como el promotor del gen
de la glutamina sintasa (Tingey et al, (1987) EMBO J.,
6, 3565), los de expresión específica en la semilla, como el
promotor de la cruciferina A de Brassica napus (Ryan et
al, (1989) Nucl. Acids Res. 17, 3584), los de expresión
específica en los tubérculos, como el promotor patatin
clase-I de la papa (Rocha-Sosa et
al, (1989) EMBO J. 8, 23; Wenzler et al, (1989)
Plant Mol. Biol. 12, 41) o los de expresión específica en el
fruto, como el promotor de la poligalacturonasa (PG) del tomate
(Bird et al, (1988) Plant Mol. Biol. 11, 651).
Otras secuencias reguladoras como las secuencias
terminadoras y las señales de poliadenilación incluyen cualquier
secuencia de ese tipo que funcione como tal en las plantas, la
elección de la cual está dentro de las capacidades del técnico
experimentado. Un ejemplo de tales secuencias es la región de
flanqueo 3' del gen de la nopalina sintasa (nos) de Agrobacterium
tumefaciens (Bevan, M., supra).
Las secuencias reguladoras también pueden
incluir secuencias potenciadoras, como la que se encuentra en el
promotor 35S del CaMV, y secuencias estabilizadoras del ARNm como la
secuencia líder del virus del mosaico de la alfalfa (AlMV) ARN4
(Brederode, F.T., Koper-Zwarthoff, E.C. y Bol, J.F.
(1980) Nucl. Acids Res. 8, 2213) o cualquier otra secuencia
que funcione de manera similar.
La fitasa se debe expresar en un ambiente que
permita la estabilidad de la proteína expresada. La elección de
compartimientos celulares, como el citosol, el retículo
endoplasmático, la vacuola, el cuerpo proteico o el espacio
periplásmico se puede usar en la presente invención para crear dicho
ambiente estable, dependiendo de los parámetros biofísicos de la
fitasa. Dichos parámetros incluyen, pero no están limitados al pH
óptimo, la sensibilidad a las proteasas o la sensibilidad a la
molaridad del compartimiento preferido.
Para obtener expresión en el citoplasma de la
célula, la enzima expresada no debe contener un péptido que sea una
señal secretora ni otra secuencia diana. Para la expresión en los
cloroplastos y la mitocondria la enzima expresada debe contener un
péptido específico denominado péptido de tránsito para la
importación en estos organelos. Las secuencias diana que pueden
unirse a la enzima de interés para lograr esto son conocidas
(Smeekens et al, (1990) T.I.B.S, 15, p.73; van den
Broeck et al, (1985) Nature 313, 358; Schreier et
al., (1985) EMBO J. 4, 25). Si se desea la actividad de
la enzima en las vacuolas debe estar presente un péptido que sea una
señal secretora, así como una secuencia diana específica que dirija
la enzima a esas vacuolas (Tague et al, (1988) Plant Phys.
86, 506). Lo mismo se cumple para los cuerpos proteicos en
las semillas. La secuencia de ADN que codifica la enzima de interés
debe modificarse de modo que la enzima pueda ejercer su acción en la
localización celular deseada.
Para lograr la expresión extracelular de la
fitasa, el constructo de expresión de la presente invención utiliza
una secuencia señal secretora. Aunque se prefieren las secuencias
señal que son homólogas (nativas) a las especies de la planta
huésped, también se pueden usar secuencias señal heterólogas, es
decir las que se originan en otras especies de la planta o las de
origen microbiano. Dichas secuencias señal son conocidas por los
técnicos con experiencia en el tema. Secuencias señal adecuadas que
se pueden utilizar en este contexto se divulgan en Walter, P. y
Blobel, G. (1986) Biochem. Soc. Symp., 47, 183; Von Heijne,
G. (1986) J. Mol. Biol., 189, 239; y Sijmons, P.C., Dekker,
B.M.M., Schrammeijer, B., Verwoerd, T.C., van den Elzen, P.J.M. y
Hoekema, A. (1990) Bio/Technol., 8, 217.
Todas las partes pertinentes de los constructos
de ADN (promotores, secuencias reguladoras, secretoras,
estabilizadoras, de acceso o de terminación) de la presente
invención se pueden modificar, si se desea, para afectar a sus
características de control usando métodos conocidos por los técnicos
con experiencia en el tema.
Se señala que las plantas que contienen fitasa
obtenida mediante la presente invención se pueden usar para obtener
plantas u órganos de plantas con aún mayores niveles de fitasa. Por
ejemplo, sería posible obtener dichas plantas u órganos de plantas
utilizando técnicas de variación somoclonal o mediante técnicas de
cruzamiento. Dichas técnicas son bien conocidas por los técnicos con
experiencia en el tema.
En una materialización de la presente invención,
se prepara un ADNc de cadena doble que codifica la fitasa a partir
de un ARNm aislado de Aspergillus ficuum. El contructo de ADN
se coloca bajo el control de las secuencias reguladoras del gen que
codifica la proteína de reserva 12S cruciferina de Brassica
napus. Posteriormente el constructo se subclona en un vector
binario como pMOG23 (en E. coli K-12 cepa
DH5\alpha, depositada en Centraal Bureau voor Schimmelcultures,
Baarn, Países Bajos el 29 de enero de 1990 con el número de acceso
CBS 102.90). Este vector se introduce en Agrobacterium
tumefaciens que contiene un plásmido Ti desarmado. Las células
bacterianas que contienen este constructo se cocultivan con tejidos
de plantas de tabaco o del género Brassica, y las células de
la planta transformada se seleccionan mediante medios nutritivos que
contienen antibióticos y se las induce a regenerarse en plantas
diferenciadas en dichos medios. Las plantas resultantes producirán
semillas que contengan y expresen el constructo de ADN.
En otra materialización de la presente
invención, el constructo de ADN que codifica la fitasa se coloca
bajo el control de secuencias reguladoras del promotor 35S del virus
del mosaico de la coliflor (CaMV). Posteriormente el constructo se
subclona en un vector binario. Este vector se introduce después en
Agrobacterium tumefaciens que contiene un plásmido Ti
desarmado. Las células bacterianas que contienen este constructo se
cocultivan con tejidos de plantas de tabaco o del género
Brassica, y las células de la planta transformada se
seleccionan mediante medios nutritivos que contienen antibióticos y
se las induce a regenerarse en plantas diferenciadas en dichos
medios. Las plantas resultantes contendrán y expresarán el
constructo de ADN constitutivamente.
La actividad de fitasa se puede medir mediante
varios ensayos, cuya elección no es crítica para la presente
invención. Por ejemplo, la actividad de la enzima fitasa del tejido
de la planta transgénica se puede determinar con un ensayo de ELISA,
con una inmunotransferencia de tipo Western o por ensayos
enzimáticos directos utilizando técnicas colorimétricas o ensayos en
gel nativo.
La planta u órgano de la planta que contiene
fitasa, producida según la presente invención se puede usar en una
diversidad de procesos industriales que requieren la acción de una
fitasa.
Las plantas u órganos de la planta que contienen
fitasa producida de acuerdo con la presente invención se pueden usar
en procesos industriales que requieren la acción de una fitasa.
Ejemplos de tales aplicaciones son el uso en aditivos de piensos
para no rumiantes, en el procesamiento de la soja, o en la
producción de inositol o fosfatos de inositol a partir de fitato.
Otros procesos industriales que usan sustratos que contienen fitato
como la industria del almidón y en las industrias de la
fermentación, como la industria cervecera. La formación de quelatos
de los iones metálicos por el fitato puede hacer que estos minerales
no estén disponibles para los microorganismos de producción. La
hidrólisis enzimática del fitato evita estos problemas.
La fitasa producida en plantas también se puede
usar en un proceso de macerado de maíz o de granos de sorgo. El
tejido de la planta se puede moler antes de agregar al maíz en
maceración. La fitasa liberada del tejido de la planta puede actuar
sobre la fitina, que está presente en muchas preparaciones de maíz.
La degradación de la fitina en el maíz en maceración es beneficiosa
para el valor comercial agregado del agua de macerado del maíz, que
se usa como alimento para animales o como un nutriente en las
fermentaciones microbianas. Además, la degradación de la fitina
puede evitar los problemas relacionados con la acumulación de
depósitos en los filtros, las tuberías, los recipientes del reactor,
etc. durante la concentración, el transporte y el almacenamiento
del agua de macerado del maíz (Vaara, T. et al. (1989)
Solicitud de patente europea 0 321 004). La acción de la fitasa
también puede acelerar el proceso de maceración y los procesos de
separación implicados en la molienda húmeda del maíz.
Las plantas u órganos de plantas se pueden usar
directamente, es decir sin procesamiento adicional, o se pueden
procesar primero por medios convencionales como la molienda hasta la
consistencia deseada antes de la aplicación.
Alternativamente, se puede extraer la fitasa de
la planta o del órgano de la planta y, si se desea, purificarla
antes de usarla mediante métodos de extracción y técnicas de
purificación convencionales.
La producción de fitasas en plantas que son
compatibles con la aplicación concebida proporciona comodidad y
reducirá los costos de producción en comparación con los de las
fitasas microbianas para permitir su aplicación económica, por
ejemplo, en piensos, lo que finalmente derivará en una relación
precio/rendimiento in vivo competitiva con la del fosfato
inorgánico. Como beneficio adicional, el contenido de fósforo del
estiércol se reducirá considerablemente.
Se apreciará que la aplicación de fitasas,
disponibles a un precio competitivo con el fosfato inorgánico,
aumentará los grados de libertad para la industria de los piensos
del compuesto para producir piensos de gran calidad. Por ejemplo,
cuando los piensos se complementan con fitasa, se puede omitir el
agregado de fosfato inorgánico y se puede aumentar el contenido de
diversos materiales que contengan fitato.
Los ejemplos siguientes se proporcionan para dar
a los técnicos con experiencia corriente en el tema una divulgación
y descripción completas de cómo hacer y utilizar la invención y no
fueron concebidos para limitar el alcance de lo que los inventores
consideran como su invención. Se han realizado esfuerzos para
asegurar la exactitud en lo que se refiere a los números utilizados
(p. ej., cantidades, temperatura, pH, etc.) pero se deben tener en
cuenta algunos errores y desviaciones experimentales. A menos que se
indique lo contrario, la temperatura está en grados centígrados y la
presión es la presión atmosférica o próxima a ella.
Se cultiva A. ficuum cepa NRRL 3135 en un
medio que contiene 22,72 g/l de harina de maíz (amilasa tratada a pH
7 a 85ºC durante 15 minutos), 9,36 g/l de glucosa; 2,9 g/l de
KNO_{3;} 0,142 g/l de KCl; 0,142 g/l de MgSO_{4}.7H_{2}O y
56,8 mg/l de FeSO_{4}.7H_{2}O. Después de 6 días se recoge el
micelio.
El micelio seco (0,5 g) se congela con nitrógeno
líquido y se muele. Posteriormente el material se homogeneiza con un
Ultra turrax (a velocidad máxima, 1 minuto) a 0ºC en LiCl 3 M y urea
6 M y se mantiene durante toda la noche a 4ºC según se describe en
Auffray y Rougeon (1980) Eur. J. Biochem. 107, 303. Se
obtiene todo el ARN celular después de la centrifugación a 16.000 X
g, seguida de dos extracciones sucesivas con
fenol:cloroformo:alcohol isoamílico, (50:48:2). El ARN se precipita
con etanol y se vuelve a disolver en 1 ml de
Tris-HCl 10 mM (pH 7,4) y 0,5% de SDS. Para la
selección de poli A^{+} se calienta toda la muestra de ARN durante
5 minutos a 65ºC, se ajusta a NaCl 0,5 M y posteriormente se aplica
a una columna de oligo(dT)-celulosa. Después
de varios lavados con una solución que contiene Tris 10 mM de pH
7,0, EDTA 1 mM y NaCl 0,1 mM, el ARN poli A^{+} se recoge mediante
elución con Tris 10 mM de pH 7,0 y EDTA 1 mM.
Para la síntesis de la primera hebra del ADNc se
disuelven 5 \mug de ARN poli A^{+}, aislado de acuerdo con el
Ejemplo 1, en 16,5 \mul de H_{2}O y se agregan los componentes
siguientes: 2,5 \mul de RNasin (30 U/\mul), 10 \mul de un
tampón que contiene Tris-HCl 50 mM de pH 7,6;
MgCl_{2} 6 mM y KCl 40 mM; 2 \mul de KCl 1 M; 5 \mul de DTT
0,1 M; 0,5 \mul de
oligo(dT)_{12-18} (2,5 mg/ml); 5
\mul de dNTP-mix 8 mM; 5 \mul de BSA (1 mg/ml) y
2,5 \mul de transcriptasa inversa Moloney MLV (200 U/\mul). La
mezcla se incuba durante 30 minutos a 37ºC y la reacción se detiene
por agregado de 10 \mul de EDTA 0,2 M y 50 \mul de H_{2}O. Se
realiza una extracción usando 110 \mul de cloroformo y después de
una centrifugación durante 5 minutos se agregan al sobrenadante
NH_{4}Ac 5 M y 440 \mul de etanol absoluto (-20ºC). Se hace una
precipitación en hielo seco/solución de etanol durante 30 minutos.
Después de una centrifugación (10 minutos a 0ºC) el sedimento en
forma de pastilla de ADNc/ARNm se lava con etanol al 70% enfriado
con hielo. El sedimento en forma de pastilla se seca y se disuelve
en 20 \mul de H_{2}O.
El aislamiento del ADNc que codifica la fitasa
se realiza con la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR) en dos
fragmentos. Los dos fragmentos se combinan, usando un sitio
BamHI dentro del gen para crear un ADNc de cadena completa.
La estrategia para la clonación del ADNc de la fitasa se muestra en
la Figura 1.
La secuenciación parcial del gen de la fitasa
(Van Gorcom et al., supra), revela la presencia de un
sitio BamHI aproximadamente a 800 pares de bases del codón de
iniciación. La secuencia de nucleótidos alrededor de este sitio
BamHI, así como la secuencia de nucleótidos que precede al
codón de inicio y la secuencia de nucleótidos después del codón de
parada del gen de la fitasa se usan para diseñar oligonucleótidos
para la PCR.
La reacción en cadena de la polimerasa se
realiza de acuerdo al proveedor de la Ta9-polimerasa (Cetus)
usando 1,5 \mul de la solución que contiene el producto de
reacción de la síntesis de la primera hebra y 0,5 \mug de cada uno
de los oligonucleótidos. La amplificación se lleva a cabo en un
amplificador de ADN de Perkin Elmer/Cetus. Después de 25 ciclos de 2
minutos a 94ºC, 2 minutos a 55ºC, y 3 minutos a 72ºC la mezcla de
reacción se desproteiniza mediante extracciones posteriores con
fenol y cloroformo. El ADN se precipita, se vuelve a disolver en un
tampón que contiene Tris 10 mM de pH 7 y EDTA 0,1 mM y
posteriormente se digiere con enzimas de restricción
adecuadas.
adecuadas.
Para la amplificación del fragmento que codifica
la parte N-terminal de la proteína, se usan los dos
oligonucleótidos siguientes:
- Oligo 1: 5' GGGTAGAATTCAAAAATGGGCGTCTCTGCTGTTCTA 3'
- Oligo 2: 5' AGTGACGAATTCGTGCTGGTGGAGATGGTGTCG 3'
\newpage
El fragmento amplificado se digiere con
EcoRI y se clona en el sitio EcoRI de pTZ18R (comprado
a Pharmacia). El mapeo del sitio de restricción y la secuenciación
de los nucleótidos demuestra la autenticidad del fragmento. El
plásmido resultante se denomina pGB925.
Para la amplificación del segundo fragmento, se
usan los dos oligonucleótidos siguientes:
- Oligo 3: 5' GAGCACCAAGCTGAAGGATCC 3'
- Oligo 4: 5' AAACTGCAGGCGTTGAGTGTGATTGTTTAAAGGG 3'
El fragmento amplificado se digiere con
BamHI y PstI y posteriormente se clona en pTZ18R, el
que fue digerido con BamHI y PstI. El mapeo del sitio
de restricción y la secuenciación de nucleótidos muestran que se
aisla el fragmento correcto. El plásmido resultante se denomina
pGB926.
A fin de aislar un ADNc de cadena completa,
pGB925 se digiere con EcoRI y BamHI y se aisla el
fragmento que contiene el ADN que codifica la fitasa. Este fragmento
se clona en el plásmido pGB926, que fue digerido con EcoRI y
BamHI, dando lugar al plásmido pGB927. El plásmido PGB927
contiene un ADNc de cadena completa que codifica la fitasa, con un
tamaño aproximado de 1,8 kbp. La secuencia de la región de ADNc que
codifica la proteína fitasa y la secuencia derivada de aminoácidos
de la proteína fitasa se ilustran en la Figura 2.
En este ejemplo se describe la construcción del
vector binario pMOG23 (en E. coli K-12 cepa
DH5\alpha, depositada en Centraal Bureau voor
Schimmel-cultures el 29 de enero de 1990, con el
número de acceso CBS 102.90).
El vector binario pMOG23 (Figura 2) es un
derivado del vector Bin19 (Bevan, M., supra). Para obtener
pMOG23, el vector Bin19 se modifica de una manera que no es esencial
para la presente invención, usando técnicas que son familiares a las
personas con experiencia en biología molecular.
Primero, las posiciones del borde izquierdo (LB)
y del borde derecho (RB) se intercambian con relación al gen de
neomicina fosfotransferasa II (gen NPTII). En segundo lugar, la
orientación del gen NPTII se revierte produciendo la transcripción
en dirección al borde izquierdo. Finalmente, el poliligador de Bin19
se reemplaza con un poliligador con los sitios de reconocimiento de
la enzima de restricción siguientes: EcoRI, KpnI,
SmaI, BamHI, XbaI, SacI, XhoI, y
HindIII.
El gen de la fitasa de Aspergillus ficuum
se adapta y se clona en un constructo de expresión para la expresión
constitutiva secuencia abajo del promotor 35S del virus del mosaico
de la coliflor. El constructo de expresión también contiene la
información de codificación para una secuencia peptídica señal de
origen vegetal.
El ADNc de la fitasa se clona en el constructo
de expresión como el presente en el plásmido pMOG29 (descrito en
a)). Posteriormente todo el constructo se introduce en el vector
binario pMOG23 y se transfiere a la cepa LBA4404 de Agrobacterium
tumefaciens.
El constructo de expresión de ROK1 (Baulcombe
et al., (1986) Nature 321, 446) se clona como un
fragmento EcoRI/HindIII en pUC18. Este constructo
contiene el promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor (CaMV)
en un fragmento EcoRI/BamHI y el terminador de la
transcripción de la nopalina sintasa (nos) en un fragmento
BamHI/HindIII. El fragmento del promotor consta de la
secuencia desde -800 a +1 del promotor 35S del CaMV. La posición +1,
que está incluida, es el sitio de iniciación de la transcripción
(Guilley et al., supra). Se suprime la secuencia que
está secuencia arriba del sitio NcoI en la posición -512 y
este sitio se convierte en un sitio EcoRI. Esto se hace
cortando el constructo de expresión presente en pUC18 con
NcoI, completando los extremos monocatenarios con polimerasa
Klenow y ligadura de un ligador EcoRI. El plásmido resultante
se corta con EcoRI, dando lugar a la supresión del fragmento
EcoRI que porta las secuencias del promotor 35S secuencia
arriba del sitio original NcoI. El fragmento
BamHI/HindIII, que contiene el terminador nos se
reemplaza con un fragmento de ADN sintético (oligonucleótido
bicatenario A, Figura 4) que contiene la secuencia líder del ARN4
del virus del mosaico de la alfalfa (AlMV)(Brederode et al,
supra). Esto se hace por corte con BamHI, seguido de
corte con HindIII y ligadura del fragmento de ADN sintético.
El sitio BamHI y tres nucleótidos secuencia arriba se
suprimen mediante mutagénesis sitio dirigida. En el plásmido
resultante, se reintroduce el fragmento BamHI/HindIII
que contiene el terminador nos. El gen que codifica la
\beta-glucuronidasa (que se origina del plásmido
pRAJ 275; Jefferson, R.A. (1987) Plant Mol. Biol. Reporter 5,
387) se ligó como un fragmento NcoI/BamHI, dando lugar
al plásmido pMOG14. De la bibliografía se sabe que la duplicación de
la secuencia entre -343 y -90 aumenta la actividad del promotor 35S
(Kay, R., Chan, A., Dayly, M. y McPherson, J. (1987) Science
236, 1299). Para obtener un fragmento promotor con una
secuencia doble, denominada secuencia potenciadora, se llevan a cabo
los pasos siguientes, conocidos por los técnicos con experiencia en
el tema. Se aisla el fragmento potenciador del plásmido pMOG14 en un
fragmento AccI/EcoRI y posteriormente se vuelve romo
con polimerasa Klenow. El fragmento obtenido se introduce en pMOG14
cortado con EcoRI y se vuelve romo, de manera que el borde
entre los sitios romos EcoRI y AccI generen un nuevo
sitio EcoRI. El plásmido resultante (pMOG18) contiene el
promotor 35S con una secuencia potenciadora doble, la secuencia
líder del ARN4 de AlMV y el terminador nos en un constructo de
expresión que todavía está presente en un fragmento
EcoRI/HindIII. Finalmente, el fragmento
NcoI/BamHI que codifica la
\beta-glucuronidasa se reemplaza con el fragmento
de ADN sintético B (Figura 4), derivado del ADNc PROB12
(Cornelissen, B.J.C., Hooft van Huijsduijnen, R.A.M. y Bol, J.F.
(1986) Nature 321, 531). Este fragmento B codifica la
secuencia peptídica señal PR-S de la proteína PR del
tabaco Samsun NN. Se crea un sitio SphI en el péptido señal
que codifica la secuencia de ADN cambiando un nucleótido. Este
cambio no altera la secuencia de aminoácidos del péptido señal
codificado PR-S. El plásmido resultante se llama
pMOG29 (Figura 5).
El oligonucleótido bicatenario C (Figura 4) se
clona en el plásmido pMOG29, se digiere con SphI y
BamHI, dando como resultado el plásmido pMOG407. El
oligonucleótido bicatenario contiene la información de codificación
para los 2 aminoácidos finales del péptido señal de
PR-S, seguidos de los 6 primeros aminoácidos de la
fitasa madura.
El plásmido pGB927, que contiene la cadena
completa del ADNc de la fitasa, se digiere con XhoI
(parcialmente) y PstI. El fragmento XhoI/PstI
que comprende las secuencias de ADN que codifican la fitasa madura
desde el aminoácido 6 en adelante se clona en el plásmido pMOG407
linealizado con XhoI y PstI, dando como resultado el
plásmido pMOG417. El constructo entero, conteniendo el gen de la
fitasa quimérica, se inserta como un fragmento
EcoRI/HindIII en el vector binario pMOG23 linealizado
con EcoRI y HindIII. El plásmido binario resultante
pMOG413 se moviliza, en un apareamiento triparental con E.
coli K-12 cepa RK2013 (que contiene el plásmido
pRK2013) (Ditta, G., Stanfield, S., Corbin, D. y Helinski, D.R.
(1980) Proc. Natl. Acad. Sci. EE.UU. 77, 7347), en Agrobacterium
tumefaciens cepa LBA4404 que contiene un plásmido con los genes
de virulencia necesarios para la transferencia del
T-ADN a la planta.
Los protoplastos de tabaco se transforman con
ADN plasmídico que lleva el gen de la fitasa quimérica bajo la
regulación del promotor constitutivo 35S del CaMV. Después de 72
horas los protoplastos tratados se analizan para determinar la
expresión transitoria del gen de la fitasa introducido, usando el
ensayo de actividad de fitasa.
Los protoplastos se preparan a partir de plantas
de tabaco (Nicotiana tabacum SR1) cultivadas axénicamente de
1-2 meses de edad. Todo el procedimiento es descrito
por Rodenburg, K.W., DeGroot, M.J.A., Schilperoort, R.A. y Hooykaas,
P.J.J. ((1989) Plant Mol. Biol. 13, 711) Para la
transformación se electroporan una cantidad de protoplastos igual a
5x10^{5} con 40 \mug de ADN del plásmido pMOG417). Después de la
electroporación los protoplastos se vuelven a suspender en 3 ml de
medio K3G. Para el ensayo de actividad de fitasa los protoplastos
se sedimentan y los 3 ml del sobrenadante se dializan durante toda
la noche contra un exceso de agua. El dializado se liofiliza y se
vuelve a suspender en 300 \mul de acetato de sodio 25 mM de pH
5,5. Después el ensayo se lleva a cabo como se describe en detalle
en el Ejemplo 10, con la única excepción de que en vez de utilizar
el tampón de glicina HCl 250 mM de pH 2,5, se usa el tampón de
acetato de sodio 25 mM de pH 5,5.
En estos experimentos, una unidad de fitasa
(PTU) se define como 1 \mumol de fosfato liberado de una solución
de fitato de sodio 1,5 mM por minuto a 37ºC a pH 5,5.
No se detecta actividad en los protoplastos sin
tratar. Los protoplastos electroporados con plásmido pMOG417
muestran una actividad de 0,26 PTU por mg de proteína en el
sobrenadante.
El tabaco se transforma por cocultivo de tejido
de la planta con Agrobacterium tumefaciens cepa LBA4404 que
contiene el vector binario pMOG413 con el gen de la fitasa quimérica
regulado por el promotor 35S del CaMV. La transformación del tabaco
(Nicotiana tabacum SRI) se lleva a cabo usando el cocultivo
de discos de hoja de acuerdo con el procedimiento de Horsch et
al., supra. Las plantas transgénicas se regeneran de
brotes que crecen en medio selectivo (100 mg/l) kanamicina), se
arraigan y se transfieren al suelo. Las plantas jóvenes se analizan
para determinar actividad
de NPTII (resistencia a la kanamicina), se las cultiva hasta la madurez y se les permite auto polinizarse y se replantan.
de NPTII (resistencia a la kanamicina), se las cultiva hasta la madurez y se les permite auto polinizarse y se replantan.
Para el ensayo de actividad de fitasa de las
hojas de las plantas transgénicas, se toma un segmento de
aproximadamente 5 mm de diámetro de una hoja joven de cada una de
las plantas, y se homogeneizan en 300 \mul de tampón de acetato de
sodio 25 mM de pH 5,5. Posteriormente, se llevan a cabo los ensayos
de fitasa como se describe para los ensayos transitorios. En 32
plantas de tabaco independientemente transformadas que se
analizaron, se observó una actividad máxima de 2 PTU/mg de proteína
soluble total en los extractos. Esto corresponde al 1,7% del total
de proteína soluble. En las semillas de estas plantas de tabaco
transformadas, se observó un nivel de expresión de fitasa máximo de
0,4% de la proteína de semilla soluble total. No se pudo detectar
actividad de fitasa en las plantas sin transformar.
Dos líneas de plantas transgénicas, 413.25 y
413.32, se seleccionaron sobre la base de sus altos niveles de
expresión de fitasa.
Se construye un constructo de expresión de modo
de obtener esa expresión específica en la semilla, usando secuencias
del gen de la proteína de reserva 12S cruciferina de Brassica
napus (cruA; Ryan et al., supra). Estas secuencias
se pueden reemplazar con las de genes similares específicos de
semilla para alcanzar la misma meta que es el objetivo de esta
invención.
El ADNc de la fitasa se clona en el constructo
de expresión. Finalmente, todo el constructo se introduce en
Agrobacterium tumefaciens, la que se usa para la
transformación.
Para todas las transformaciones en E.
coli de este ejemplo, se usa la E. coli K12 cepa
DH5\alpha.
Para la construcción del constructo de expresión
para la expresión específica en la semilla, se sintetizan las
secuencias promotora y terminadora del gen de cruciferina A (cruA)
de Brassica napus cv. Jet Neuf usando tecnología de PCR con
ADN genómico aislado (Mettler, I.J. (1987) Plant Mol. Biol. Rep. 5,
346) como molde. Este gen muestra expresión específica en la semilla
y se determinaron sus secuencias de codificación y de flanqueo (Ryan
et al, supra).
Se sintetizan dos conjuntos de oligonucleótidos.
Uno para permitir la amplificación de la región de flanqueo 5' de
cruA y parte de la secuencia que codifica el péptido señal como un
fragmento EcoRI/NcoI:
- 5' GTTCGGAATTCGGGTTCCGG 3' \hskip0,3cm y \hskip0,3cm 5' AACTGTTGAGCTGTAGAGCC 3'.
El otro para la amplificación de la secuencia de
flanqueo 3' como un fragmento BglII/HindIII:
- 5' CTTAAGATCTTACCCAGTGA 3' \hskip0,3cm y \hskip0,3cm 5' CGGAGAAGCTTGCATCTCGT 3'.
Los oligonucleótidos están diseñados para
contener sitios de restricción adecuados en sus extremidades para
permitir la unión directa del constructo de expresión después de la
digestión de los fragmentos con las enzimas de restricción.
El fragmento 5' del gen cruA, que incluye 54
nucleótidos de la secuencia que codifica el péptido señal se clona
en el vector pMOG445 (oligonucleótido bicatenario E (Figura 4)
clonado en el vector pUC18, linealizado con SstI y
EcoRI), cortado con EcoRI y NcoI, dando como
resultado el vector pMOG424. El oligonucleótido bicatenario
sintético D (Figura 4), que comprende los 5 tripletes de
codificación finales para la secuencia señal de cruciferina de
Brassica napus, la secuencia que codifica los aminoácidos
1-6 de la fitasa madura y un sitio de clonación
múltiple, se clona en el vector pMOG424 cortado con NcoI y
HindIII. El vector resultante se llama pMOG425. El fragmento
PCR 3' de cruA se clona como un fragmento
BglII/HindIII en pMOG425 digerido con BglII y
HindIII, dando como resultado pMOG426.
El plásmido pGB927, que contiene la secuencia de
codificación entera para la fitasa de Aspergillus ficuum, se
digiere con XhoI (parcialmente) y con PstI. El
fragmento XhoI/PstI que comprende las secuencias de
ADN que codifican la fitasa madura desde el aminoácido 6 en adelante
se clona en el vector pMOG426, cortado con XhoI y
PstI. Del vector resultante pMOG428, el constructo entero,
que contiene el gen de la fitasa quimérica, se inserta como un
fragmento EcoRI/HindIII en el vector binario pMOG23
linealizado con EcoRI y HindIII. El vector binario
resultante pMOG429 se moviliza, en un apareamiento triparental con
E. coli K-12 cepa RK2013 (que contiene el
plásmido pRK2013) (Ditta et al, supra), en
Agrobacterium cepa LBA4404 (Hoekema et al., 1983,
supra) que contiene un plásmido con los genes de virulencia
necesarios para la trasferencia del ADN-T a la
planta.
La cepa LBA4404 de Agrobacterium, que
contiene el vector binario pMOG429 con el ADNc de la fitasa bajo el
control del promotor de cruciferina, se usa para experimentos de
transformación. La transformación de tabaco (Nicotiana
tabacum SR1) se lleva a cabo usando el cocultivo de discos de
hoja de acuerdo con el procedimiento de Horsch et al.,
supra. Las plantas transgénicas se regeneran a partir de
brotes que crecen en un medio selectivo (100 mg/l de kanamicina).
Las plantas jóvenes se analizan para determinar actividad de NPTII
(resistencia a la kanamicina), se las cultiva hasta la madurez y se
les permite auto polinizarse y se replantan. Se juntan las semillas
de cada transformante y parte de la muestra de semillas se analiza
para detectar la presencia de fitasa. De los clones con los mayores
niveles de expresión, en comparación con las semillas de control sin
transformar, se germinan las semillas restantes en kanamicina (200
mg/L). De los datos sobre las semillas S2 resultantes, las semillas
homocigotas para NPTII (en consecuencia también para fitasa) se
seleccionan y se usan para la propagación masiva de plantas capaces
de producir las mayores cantidades de fitasa. Estas pueden usarse
después, por ejemplo, para experimentos de digestión.
Para determinar la actividad de fitasa
encontrada en semillas transgénicas, se toman y homogeneizan
aproximadamente 50 mg de semillas con un pistilo en un mortero
enfriado con hielo en 1 ml de tampón de acetato de sodio 25 mM de pH
5,5. Después de la centrifugación, el sobrenadante se analiza según
se describe para los ensayos transitorios. En 55 plantas de tabaco
transformadas independientemente, se observó un nivel de expresión
de fitasa máximo de 0,15% de la de proteína de semilla soluble
total. No se detectó actividad de fitasa en los tallos, las raíces
ni las hojas de las plantas transgénicas. No se pudo detectar
actividad de fitasa en las plantas sin transformar.
En este ejemplo, se describe la transformación
de colza por cocultivo del tejido de la planta con Agrobacterium
tumefaciens, que contiene un vector binario con el gen de la
fitasa quimérica. Las plantas transgénicas se pueden seleccionar por
la resistencia a los antibióticos. Las plantas transgénicas se
pueden analizar para detectar la actividad de fitasa. Se pueden
analizar más a fondo los expresores fuertes y usar en los
experimentos adicionales.
Se moviliza el mismo constructo de la fitasa
quimérica en un vector binario (pMOG429) en Agrobacterium
tumefaciens cepa LBA4404, de manera similar a la descrita en el
Ejemplo 7. Esta cepa se puede usar para transformar colza
(Brassica napus cv. Westar). Para este objetivo, segmentos de
tallos esterilizados en la superficie tomados de plantas de 5 a 6
semanas, justo antes de florecer, se preacondicionan durante 24 h en
medio MS (Fry et al. (1987) Plant Cell Reports 6, 321) con 1
mg/l de BAP y después se cocultivan durante 48 h con
Agrobacterium en placas recién preparadas con el mismo medio.
Las plántulas transgénicas se regeneraron de brotes cultivados en
medio selectivo (500 mg/l de carbenicilina, 40 mg/l de paromomicina)
y se analizaron posteriormente según se describe en el Ejemplo 8
para el tabaco.
Se molió una cantidad de material de planta
transgénica que en total contenía aproximadamente 0,25 PTU. (PTU =
unidades de fitasa. Una unidad de actividad de fitasa se define como
la cantidad de enzima que libera fósforo inorgánico de fitato de
sodio 1,5 mM a una velocidad de 1 \mumol/min a 37ºC y a pH 2,5).
Alternativamente, esta cantidad de fitasa se puede extraer del
material de la planta.
Se incuba el material molido de la planta en un
volumen total de 50 ml de un tampón de glicina/HCl 250 mM de pH 2,5
que contiene 0,86 g de fitato de sodio.11 H_{2}O. Aunque la fitasa
del Aspergillus se expresa a un pH óptimo de 2,5 así como a
5,5; el pH menor se elige para excluir la actividad de fitasa de la
planta.
La mezcla resultante se incuba durante 15 y 60
minutos a 37ºC. La reacción se detiene mediante agregado de 5 ml del
incubado en 5 ml de TCA al 10% (ácido tricloroacético).
Posteriormente, se agregan 10 ml de reactivo indicador (3,66 g de
FeSO_{2}.7H_{2}O en 50 ml de solución de molibdato de amonio
(2,5 g de (NH_{4})6Mo_{7}O_{24}.4H_{2}O y 8 ml de
H_{2}SO_{4} conc., diluido hasta 250 ml con agua
desmineralizada) a la solución detenida de enzima. La intensidad del
colorante azul se mide espectrofotométricamente a 700 nm.
El contenido de fosfato inorgánico presente a
T=0 sirve de blanco.
Las mediciones son indicativas de la cantidad de
fosfato liberado con relación a una curva de calibración del fosfato
en el rango de 0-1 mM.
En un experimento típico, 0,25 g de harina de
soja extraída con solvente se incuban con una cantidad de material
molido de planta de Nicotiana tabacum que contiene
aproximadamente 0,25 PTU, como se describe antes, excepto por el
agregado de fitato de sodio. En este caso, el agente de incubación
agregado consiste en una mezcla de 410 ml de tampón y 90 ml de agua
desmineralizada.
La liberación de fosfato del fitato de la harina
de soja extraída con solvente se ilustra en la Figura 6. Sin
agregado del material molido de la planta, no se observa
actividad.
En un experimento prácticamente idéntico, se
obtienen resultados similares usando los piensos de gluten de maíz
como sustrato. Los resultados usando semillas transgénicas se
muestran en la Figura 6.
No se observa actividad en ausencia de material
molido de planta ni cuando se agrega material molido de plantas que
no contienen actividad de fitasa.
Para evaluar la eficacia de la fitasa producida
en material de plantas de tabaco transgénico, se determina la
actividad de fitasa del Aspergillus en un modelo que simula
las condiciones que se encuentran en el aparato digestivo de las
aves de corral.
Primero se incuba una muestra estándar de pienso
para aves de corral a una relación de 1 g/15 ml de agua
desmineralizada durante 60 minutos a 39ºC para simular las
condiciones en el buche de los animales. Posteriormente, se agregan
5 ml de una solución de pepsina (Merck: 5,28 g/l, pH 3,0 ajustado
con HCl), el pH se ajusta con HCl a pH 3,0 y se continua la
incubación por otros 90 minutos a la misma temperatura para simular
las condiciones del
estómago.
estómago.
Durante el período de incubación, se tomaron
muestras para determinar la cantidad de fosfato liberado del fitato
presente en el pienso.
La acción de la fitasa fúngica es evidente en la
Figura 7. El aumento de la dosis de fitasa de 250 a 1.000 PTU/kg de
pienso da como resultado una mayor liberación de fosfato de la
muestra de pienso.
Cuando se agrega una muestra de material de
planta de tabaco transgénico, o bien de semilla o bien de hoja,
(líneas 413.25 y 413.32; después de molidas en un mortero), en lugar
de la fitasa fúngica, se observa un aumento similar en la
liberación de fosfato (Figura 8). También se analizó material de
plantas de tabaco de control que no contenían fitasa. No se observó
liberación de fosfato en comparación con el blanco de control.
La comparación de los resultados con 50 g de
semillas de tabaco transgénico/kg de pienso con los obtenidos con
500 y 750 PTU/kg de pienso indica que 1 g de semilla de tabaco
equivale aproximadamente a 12 PTU en este modelo de digestión
avícola in vitro. Una comparación ilustrativa usando material
de hoja indica que 1 g (peso fresco) de material de hoja de tabaco
contiene aproximadamente 25 PTU.
Los ensayos se llevan a cabo con pollos
parrilleros para mostrar la eficacia de la fitasa expresada en
semillas de planta, así como la ausencia de cualquier efecto
negativo de las semillas de tabaco sobre los resultados
zootécnicos.
Se cosechan tanto la semilla de tabaco que
expresa fitasa como la de tabaco de control. Las semillas se
molieron en porciones de 100 g con un cedazo
(Retch-mill ZM1) que tenía poros de 500 \mum,
teniendo cuidado de mantener las semillas enfriadas.
Pollitos parrilleros machos de un día de vida
(Hybro) se alojan en dos hileras superpuestas de jaulas en batería
(0,45 m^{2}). La temperatura ambiente es de 32ºC durante los dos
primeros días y se disminuye en 4ºC en la primera semana. Cada
siguiente semana, la temperatura se disminuye en 2ºC. Los pollitos
parrilleros se crían en un régimen de una hora de luz y tres de
oscuridad.
Las aves se vacunan contra la enfermedad de New
Castle al día de vida usando la vacuna Clone 30. Durante los
experimentos, los pollos parrilleros se alimentan con las dietas
experimentales todo triturado y a voluntad. Durante los períodos
experimentales se miden las relaciones crecimiento y
pienso/ganancia. La disponibilidad aparente del fósforo total se
mide en un período de tres días, durante el cual el consumo de
alimento balanceado se mide como materia seca y la ingesta y la
excreta se recaban cuantitativamente.
La disponibilidad aparente del fósforo se define
como la diferencia entre la ingesta de fósforo y la excreción de
fósforo con la excreta.
\newpage
Se usan las dietas de control siguientes sin
agregado de fitasa:
| Ca | P total | fitato P | |
| Dietas | (%) | (%) | (%) |
| 1 | 0,60 | 0,45 | 0,30 |
| 2 | 0,75 | 0,60 | 0,30 |
| 3 | 0,90 | 0,75 | 0,30 |
No se agrega fosfato para pienso a la dieta 1
(dieta basal). Se agregan calcio y fósforo de una mezcla de fosfato
dicálcico y de fosfato monoamónico anhidros (relación 5:1) a las
dietas 2 y 3. Todas las dietas experimentales se obtienen mediante
agregados a la dieta basal (consulte la Tabla 1).
La dieta experimental 4 contiene fitasa
microbiana a una concentración de 400 PTU/kg de pienso, preparada
según describen Van Gorcom et al., supra.
La dieta experimental 5 es como la dieta 4 pero
con el agregado de semillas molidas de tabaco no transgénico a la
mezcla de piensos para lograr una relación final de 3 kg/90 kg de
pienso.
La dieta experimental 6 también es como la dieta
4 pero con el agregado de 3 kg de semillas molidas de tabaco
transgénico (línea 413.25) a una mezcla de 90 kg de pienso para
obtener una concentración final de 400 PTU/kg de pienso.
El experimento se lleva a cabo con 176 pollos
parrilleros en 16 jaulas en batería (11 por jaula en batería) hasta
los 24 días de vida. Los tratamientos (dietas) se repiten dos veces
y son asignados aleatoriamente a las jaulas dentro de cada hilera
superpuesta.
La disponibilidad de fósforo se mide desde los
21 a 24 días de edad.
Los resultados con respecto a la disponibilidad
del fósforo y el crecimiento de los animales a los que se les
suministraron las dietas 4, 5 y 6 mostraron cada uno el efecto
positivo del agregado de fitasa (Tabla 2). Una comparación de las
dietas 4, 5 y 6 también demuestra que la inclusión de las semillas
de tabaco en los piensos es compatible con la acción de la fitasa
microbiana en el aparato digestivo de los animales de granja como
los pollos parrilleros y no muestra ningún efecto negativo sobre los
resultados zootécnicos.
Mientras la presente invención se ha descrito
con referencia a materializaciones específicas de ésta, los técnicos
con experiencia en el tema deben comprender que se pueden hacer
diversos cambios y que se pueden sustituir equivalentes sin
apartarse del espíritu y el alcance verdaderos de la invención.
Además, se pueden hacer muchas modificaciones para adaptar una
situación, un material, una planta, una semilla, un proceso, un paso
o pasos del proceso particulares al objeto, el espíritu y el alcance
de la invención. Todas esas modificaciones están destinadas a estar
incluidas en el alcance de las reivindicaciones adjuntas.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
Claims (15)
1. Un constructo de expresión recombinante, que
se caracteriza porque dicho constructo de expresión
recombinante comprende una secuencia de codificación de fitasa
obtenida de una fuente microbiana funcionalmente ligada a las
secuencias reguladoras 5' y 3' capaz de dirigir la expresión de
dicha fitasa en una célula de una planta.
2. El constructo de expresión recombinante de la
reivindicación 1, que se caracteriza porque la secuencia de
codificación de la fitasa se obtiene de una fuente fúngica.
3. El constructo de expresión recombinante de la
reivindicación 2, que se caracteriza porque la secuencia de
codificación de la fitasa se obtiene del género
Aspergillus.
4. El constructo de expresión recombinante de
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que se caracteriza
porque la secuencia de codificación de una fitasa madura está
funcionalmente ligada a una secuencia señal heteróloga a la proteína
fitasa, funcionando dicha secuencia señal en una célula de una
planta.
5. El constructo de expresión recombinante de
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se caracteriza
porque la secuencia reguladora 5' es un promotor constitutivo.
6. El constructo de expresión recombinante de
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que se caracteriza
porque la secuencia reguladora 5' es un promotor específico de un
tejido.
7. Un vector, que se caracteriza porque
el vector comprende un constructo de expresión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
8. Una cepa bacteriana, que se
caracteriza porque la cepa contiene un vector de acuerdo con
la reivindicación 7.
9. Una célula de una planta transgénica, que se
caracteriza porque la célula de la planta contiene un
constructo de expresión de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6.
10. Una planta transgénica u órgano de una
planta transgénica, que se caracterizan porque la célula de
la planta contiene un constructo de expresión de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
11. Un método para la conversión de fitato a
inositol y fosfato inorgánico, que se caracteriza porque una
fitasa de una fuente microbiana contenida en la planta transgénica o
el órgano de la planta transgénica de acuerdo con la reivindicación
10 se aplica a un sustrato que contiene dicho fitato.
12. Un preparado alimentario para animales, que
se caracteriza porque el preparado alimentario comprende la
planta transgénica o el órgano de la planta transgénica de acuerdo
con la reivindicación 10.
13. Un método para promover el crecimiento de un
animal, que se caracteriza porque dicho animal se alimenta
con una dieta compuesta por un preparado alimentario de acuerdo con
la reivindicación 12 en una cantidad eficaz para promover el
crecimiento del animal que ingiere el preparado.
14. Un método para reducir el nivel de fitato en
el estiércol de los animales, que se caracteriza porque un
animal es alimentado con una dieta que está compuesta por un
preparado alimentario de acuerdo con la reivindicación 12 en una
cantidad eficaz para convertir el fitato contenido en dicha dieta en
inositol y fosfato inorgánico.
15. El uso de una planta transgénica u órgano de
planta transgénica de acuerdo con la reivindicación 10 como un
ingrediente en alimentos o piensos.
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