Analysis of recombinant poly (3-hydroxybutyrate)- producing Escherichia coli strains: effect of the accumulation of the polymer and PhaP protein on metabolism and gene expression

El poli(3-hidroxibutirato) (PHB) en un polímero biodegradable de gran interés biotecnológico, debido a que presenta propiedades físicas similares a las de los plásticos derivados del petróleo. Con el fin de optimizar su producción, se construyó una cepa recombinante de Escherichia coli que expresa los genes responsables de la síntesis de PHB de Azotobacter sp. FA 8. Esta cepa recombinante también expresa la proteína PhaP, la cual se asocia a los gránulos de PHB y afecta positivamente la síntesis del polímero. Se estudió la acumulación de biomasa y PHB, y las propiedades físicas del polímero, en esta cepa y en la cepa sin PhaP, observándose que la cepa que expresa PhaP produce más PHB y biomasa que la cepa isogénica. En estudios realizados en biorreactor se observaron variaciones en la síntesis de PHB y de diferentes productos metabólicos, al utilizar distintas fuentes de carbono y niveles de aireación, lo que le permitiría a las bacterias adaptar los flujos de carbono y energía a las diferentes condiciones ensayadas. Con el fin de determinar las modificaciones en E. coli cuando acumula PHB, y los posibles efectos de PhaP, se estudió la expresión de diferentes genes mediante qRT-PCR y arrays de DNA en cepas productoras y no productoras de PHB. Se observaron grandes diferencias en la expresión de genes relacionados con el hambreado en nitrógeno, cuya expresión fue mayor en las cepas productoras. Esto podría deberse a la competencia por los metabolitos precursores, acetil-CoA y poder reductor. Inesperadamente, se encontró una menor expresión de genes de estrés al comparar la cepa de E. coli que acumula el polímero y expresa PhaP con la cepa control (que no acumula el polímero ni expresa PhaP). A raíz de estos resultados, se estudió el efecto de PhaP sobre la fisiología de E. coli, en ausencia de PHB. Se observó que PhaP promueve el crecimiento de E. coli, y que además la protege contra estrés térmico. Estos resultados sugieren que PhaP tendría un efecto protector en E. coli, el cuál podría ser de gran utilidad en la producción de compuestos heterólogos.Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) is a biodegradable polymer of great biotechnological interest, because it has physical properties similar to fuel-derived plastics. In order to optimize the production of PHB, we constructed a recombinant Escherichia coli strain that expresses the phb genes from Azotobacter sp. FA8. This recombinant strain also produces the protein PhaP, which is found associated to PHB granules and positively affects PHB synthesis. We studied the accumulation of biomass, PHB, and physical properties of the polymer produced in this strain, and in the strain lacking PhaP. The strain that expresses PhaP produced more PHB and biomass that the isogenic strain. The production of PHB and several metabolic products varied in bioreactor cultures when using different carbon sources and aeration conditions, allowing bacteria to adjust carbon and energy flow. To study the effect of PHB and PhaP on recombinant E. coli, we studied the expression of different genes by qRT-PCR and microarray analysis. In the PHB-producing strains there was an increase in the expression of genes related with nitrogen metabolism, which could be related to the fact that acetyl-CoA and reducing power are needed for the production of PHB. We also observed that the production of the polymer generates a stress response in E. coli, similar to a heat shock response, which is diminished in the presence of PhaP. Surprisingly, the expression of stress-related genes was lower in the PHB and PhaP producing strain, that in the strain which does not express either PHB or PhaP. Based on these results, we studied the effect of PhaP on the physiology of E. coli, in the absence of PHB. PhaP-bearing strains grew more, and were more resistant to heat stress. These results suggest that PhaP has a protective effect on E. coli, which could be very useful for the production of heterologous products.Fil:de Almeida, Alejandra. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina