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ES2342271T3 - Identificacion de genes de la 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa y microorganismos bloqueados de la actividad 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa. - Google Patents

Identificacion de genes de la 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa y microorganismos bloqueados de la actividad 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa. Download PDF

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ES2342271T3
ES2342271T3 ES03714925T ES03714925T ES2342271T3 ES 2342271 T3 ES2342271 T3 ES 2342271T3 ES 03714925 T ES03714925 T ES 03714925T ES 03714925 T ES03714925 T ES 03714925T ES 2342271 T3 ES2342271 T3 ES 2342271T3
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ES
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gene
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genes
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Expired - Lifetime
Application number
ES03714925T
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English (en)
Inventor
Robert Van Der Geize
Peter Van Der Meijden
Gerda Hessels
Lubbert Dijkhuizen
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Organon NV
Original Assignee
Organon NV
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Abstract

Un método para construir una cepa genéticamente modificada de un microorganismo que degrada esteroides que carece de la capacidad de degradar el núcleo del esteroide, comprendiendo el método la inactivación de los genes que codifican la actividad-KSH, el gen kshA de la SEC ID Nº:1 y/o el gen kshB de la SEC ID Nº 2.

Description

Identificación de genes de la 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa y microorganismos bloqueados en la actividad 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa.
La invención se refiere a secuencias polinucleotídicas aisladas que codifican componentes de la 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa, a microorganismos bloqueados en la actividad de la 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa, a un método para la preparación de dichos microorganismos, y al uso de tales microorganismos en \Delta^{1}-deshidrogenación de esteroides.
Hasta la fecha se dispone de un conocimiento muy limitado sobre la 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa (KSH), la enzima que realiza la 9\alpha-hidroxilación de la 4-androsteno-3,17-diona (AD) y la 1,4 androstadieno-3,17-diona (ADD) en la degradación de esterol/esteroides microbiana. No se ha encontrado ninguna secuencia de nucleótidos de los genes que codifican los componentes de KSH. Además, surgen dificultades durante los procedimientos de purificación enzimática (Chang, F. N. et al. Biochemistry (1964) 3:1551-1557; Strijewski, A. Eur. J. Biochem. (1982) 128:125-135). Se ha purificado parcialmente una monooxigenasa de tres componentes con actividad KSH en Nocardia sp. M117 y se ha descubierto que constituye un sistema enzimático de tres componentes, compuesto por una flavoproteína reductasa y dos proteínas ferredoxinas (Strijewski, A. Eur. J. Biochem. (1982) 128:125-135). En Arthrobacter oxydans 317, la 9\alpha-hidroxilación de la estructura de anillo policíclica esteroidea parecía portada por un plásmido (Dutta, R.K. et al. J. Basic Microbiol. (1992) 32:317-324). Sin embargo, no se presentó el análisis de la secuencia del plásmido.
La ausencia de datos genéticos ha obstaculizado la construcción de cepas mutantes definidas molecularmente con propiedades deseadas (es decir, bloqueo de la 9\alpha-hidroxilación de esteroides) por la ingeniería genética. Se han aislado mutantes por mutagénesis clásica, pero estas cepas generalmente son inadecuadas en procesos industriales mayoritariamente debido a la inestabilidad genética y/o las bajas eficiencias de bioconversión. Los mutantes definidos molecularmente tienen ventajas comparados a los mutantes generados por mutagénesis clásica. Los mutantes construidos son genéticamente estables y las mutaciones introducidas son modificaciones genéticas bien conocidas. La construcción de cepas genéticamente modificadas hace obsoleto el uso extendido de agentes químicos para bloquear la 9\alpha-hidroxilación (por ejemplo, \alpha,\alpha-dipiridil, o-fenantrolina). Los agentes químicos usados para bloquear la actividad KSH mayoritariamente no son específicos de reacción e inhiben otras importantes reacciones enzimáticas (por ejemplo, la 26-hidroxilación de esterol en la degradación de la cadena lateral de esterol), lo cual puede tener efectos negativos en la eficiencia de bioconversión de esterol. El uso de mutantes definidos por ingeniería genética soluciona estos problemas.
La 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa (KSH) es una enzima clave en la ruta de apertura del anillo B de esteroides microbianos. La KSH cataliza la conversión de AD en 9\alpha-hidroxi-4-androsteno-3,17-diona (9OHAD) y de ADD en el compuesto químicamente inestable [9OHADD]. Se ha encontrado actividad KSH en muchos géneros de bacterias (Martin, C.K.A. Adv. Appl. Microbiol. (1977) 22:29-58; Kieslich, K. J Basic Microbiol. (1985) 25: 461-474; Mahato, S.B. et al. Steroids (1997) 62: 332-345): por ejemplo Rhodococcus (Datceva, V. K. et al. Steroids (1989) 54: 271-286; van der Geize et al. FEMS Microbiol. Lett. (2001) 205; 197-202, Nocardia (Strijewski, A. Eur. J. Biochem. (1982) 128:125-135), Arthrobacter (Dutta, R. K. et al. J. Basic Microbiol. (1992) 32:317-324) y Mycobacterium (Wovcha, M. G. et al. Biochim. Biophys. Acta (1978) 531: 308-321). Las cepas de bacterias sin actividad KSH se consideran importantes en la biotransformación de esterol/esteroide. Los mutantes bloqueados en la actividad KSH podrán realizar sólo la reacción de la KSTD (3-cetoesteroide \Delta^{1}-deshidrogenasa, permitiendo de esta manera la \Delta^{1}-deshidrogenación selectiva de compuestos esteroideos. Son ejemplos la biotransformación de cortisol en prednisolona y la biotransformación de la AD en ADD. La bioconversión de esteroles por mutantes bloqueados a nivel de la 9\alpha-hidroxilación de esteroides puede también conllevar una degradación selectiva de la cadena lateral de esterol, acumulándose de esta manera AD y/o ADD que son excelentes precursores para la síntesis de hormonas esteroideas bioactivas.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, ahora se proporcionan las secuencias polinucleotídicas aisladas de dos genes, designadas kshA y kshB de Rhodococcus erythropolis: SEC ID Nº:1 y SEQ ID NO:2, respectivamente. La proteína kshA se codifica por los nucleótidos 499-1695 de SEC ID Nº:1 y la proteína kshB por los nucleótidos 387-1427 de SEC ID Nº:2. Así, en particular, se prefieren los polinucleótidos que comprenden las secuencias de ADN codificantes completas de los nucleótidos 499-1695 de la SEC ID Nº:1 y de los nucleótidos 387-1427 de SEC ID Nº:2, respectivamente.
Además, para acomodar la variabilidad de codones, la invención también incluye secuencias que codifican las mismas secuencias de aminoácidos de la proteína KshA y de la proteína KshB. También forman parte de la invención porciones de las secuencias codificantes que codifican dominios individuales de la proteína expresada, así como variaciones alélicas y de especie de las mismas. Algunas veces, un gen se expresa como una variante de corte y empalme, dando como resultado la inclusión de una secuencia de exón adicional, o la exclusión de un exón. También puede incluirse o excluirse una secuencia parcial de exón. Un gen puede también transcribirse desde cebadores alternativos que están localizados en diferentes posiciones dentro de un gen, dando como resultado transcritos con diferentes extremos 5'. La transcripción puede también terminar en diferentes sitios, dando como resultado diferentes extremos 3' del transcrito. Es de esperar que estas secuencias, así como las proteínas codificadas por estas secuencias, desarrollen funciones iguales o similares y formen también parte de la invención. La información de secuencia proporcionada aquí no debería ser tan estrechamente interpretada como para requerir la inclusión de bases identificadas erróneamente. La secuencia específica revelada aquí puede usarse fácilmente para aislar los genes completos que, as su vez, pueden someterse fácilmente a análisis de secuencia adicionales para identificar de esta manera errores de secuenciación.
La presente invención se refiere además a polinucleótidos que tienen ligeras variaciones o que tienen sitios polimórficos. Los polinucleótidos que tienen ligeras variaciones codifican polipéptidos que conservan la misma función o actividad biológica que la proteína madura natural.
El ADN de acuerdo con la invención puede obtenerse a partir de ADNc usando sondas adecuadas derivadas de la SEC ID Nº:1 o la SEC ID Nº:2. Alternativamente, la secuencia codificante podría ser ADN genómico, o prepararse usando técnicas de síntesis de ADN. El polinucleótido puede también estar en forma de ARN. Sí el polinucleótido es ADN, puede ser monocatenario o bicatenario. La cadena única podría ser la cadena codificante o la cadena no codificante (anti-sentido).
La presente invención se refiere además a polinucleótidos que tienen al menos el 70%, preferiblemente el 80%, más preferiblemente el 90%, incluso más preferiblemente el 95%, aún más preferiblemente el 98%, y todavía más preferiblemente al menos el 99% de identidad con la secuencia entera de ADN de los nucleótidos 499-1695 de SEC ID Nº:1 y de los nucleótidos 387-1427 de la SEC ID Nº:2, respectivamente. Tales polinucleótidos codifican polipéptidos que conservan la misma función biológica o actividad que la proteína madura natural. Alternativamente, también se incorporan en la invención fragmentos de los polinucleótidos arriba mencionados que codifican dominios de la proteína que todavía son capaces de unirse a sustratos.
El porcentaje de identidad entre dos secuencias puede determinarse con programas tales como Clustal W 1.7 (Thompson J.D., et al. Nucleic Acids Res. (1994) 22:4673-4680: "CLUSTALW: Improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighing, position-specific gap penalties and weight matrix.") usado en los ajustes por defecto. El porcentaje de identidad generalmente se define por el número de restos idénticos entre las dos secuencias dividido por el número total de restos de la secuencia conocida.
Similarmente se define como una combinación de identidad junto con todos los restos aminoacídicos semiconservados en el alineamiento de acuerdo con los grupos definidos en ClustalW 1.7:
"*" = identidad = indica posiciones que tienen un solo resto completamente conservado.
":" = semi-conservado = indica que uno de los siguientes grupos "fuertes" está totalmente conservado. STA, NEQK, NHQK, NDEQ, QHRK, MILV, MILF, HY, FYW.
"." = semi-conservado = indica que uno de los siguientes grupos "más débiles" está totalmente conservado. CSA, ATV, SAG, STNK, STPA, SGND, SNDEQK, NDEQHK, NEQHRK, FVLIM, HFY.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos son todos los posibles grupos de puntuación positiva que existen en la matriz Gonnet Pam250.
También están dentro del alcance de esta invención homólogos funcionales de los nuevos genes, por ejemplo, de la familia de Actinomicetales (por ejemplo, Rhodococcus, Nocardia, Arthrobacter, Corynebacterium y Mycobacterium).
Para identificar genes similares con una acción similar en otros microorganismos, en el presente documento se incluye cualquier método de detección de (poli)nucleótidos conocido en la técnica para tal propósito. Por ejemplo, pueden considerarse métodos de elongación/métodos de amplificación de nucleótidos, pero también, tal método puede comprender los pasos de: hibridar con una muestra una sonda específica para un polinucleótido que codifica una secuencia de aminoácidos de KshA o KshB en condiciones eficaces para que dicha sonda hibride específicamente con dicho polinucleótido y determinar la hibridación de dicha sonda a polinucleótidos de dicha muestra. El término "específico" a este respecto significa que la mayoría de la hibridación tiene lugar con un polinucleótido de esta invención. Preferiblemente, dicha sonda comprende al menos 25 de los nucleótidos de la SEC ID Nº:1 o la SEC ID Nº:2. Más preferiblemente la sonda comprende 50, y de una forma particularmente preferida más de 100 nucleótidos de la SEC ID Nº:1 o de la SEC ID Nº:2. Lo más preferido es que la sonda consista en un polinucleótido de nucleótidos seleccionados entre los nucleótidos 499-1695 de la SEC ID Nº:1 y de los nucleótidos 387-1427 de la SEC ID Nº:2, respectivamente. Las condiciones de rigurosidad apropiadas que promueven la hibridación de ADN, por ejemplo, cloruro sódico/citrato sódico (SSC) 6,0x a aproximadamente 45ºC, seguido de un lavado de SSC 2,0x a 50ºC, se conocen por los expertos en la materia o pueden encontrarse en Current Protocols in Molecular Biology, John Willey & Sons, N.Y. (1989), 6.3.1-6.3.6. Por ejemplo, la concentración de sal en el paso de lavado puede seleccionarse entre una baja rigurosidad de aproximadamente SSC 2,0x a 50ºC a una alta rigurosidad de aproximadamente SSC 0,2x a 50ºC. Además, la temperatura en el paso de lavado puede aumentarse desde condiciones de baja rigurosidad a la temperatura ambiente, de aproximadamente 22ºC, a altas condiciones de rigurosidad de aproximadamente 65ºC.
Alternativamente, los polinucleótidos de esta invención también pueden usarse para dirigir genes específicos, por ejemplo, para alterar genes en otras especies (véase, por ejemplo, el documento WO 01/31050 y referencias ahí citadas).
La secuencia del polinucleótido recién identificado de la presente invención, SEC ID Nº:1 y SEC ID Nº:2, también puede usarse en la preparación de moléculas de vector para la expresión de la proteína codificada en células hospedadoras adecuadas. En la clonación de las secuencias de ácido nucleico que codifican las proteínas KshA o KshB o partes de las mismas puede emplearse de forma útil una amplia diversidad de células hospedadoras y combinaciones de vehículos de clonación. Por ejemplo, los vehículos de clonación útiles pueden incluir secuencias de ADN cromosómicas, no cromosómicas y sintéticas tales como diversos plásmidos bacterianos conocidos y plásmidos con una mayor serie de hospedadores y vectores derivados de combinaciones de plásmidos y ADN de fago o de virus. Los vehículos para uso en la expresión de los polinucleótidos de la presente invención o una parte de los mismos que comprende un dominio funcional comprenderán además secuencias de control unidas operativamente a la secuencia de ácido nucleico que codifica la proteína. Estas secuencias de control generalmente comprenden una secuencia cebadora y secuencias que regulan y/o mejoran los niveles de expresión. Por supuesto, las secuencias de control y otras secuencias pueden variar dependiendo de la célula hospedadora seleccionada.
Son vectores de expresión adecuados, por ejemplo, plásmidos bacterianos o de levadura, plásmidos de una amplia serie de hospedadores y vectores derivados de combinaciones de ADN de plásmido y fago o virus. También se incluyen vectores derivados de ADN cromosómico. Además, en el vector de acuerdo con la invención puede estar presente un origen de replicación y/o un marcador de selección dominante. Los vectores de acuerdo con la invención son adecuados para transformar una célula hospedadora. También pueden considerarse vehículos de expresión adecuados vectores de integración. También forman parte de la presente invención vectores de expresión recombinantes que comprenden ADN de la invención así como células transformadas con dicho ADN o dicho vector de expresión. Son células hospedadoras adecuadas de acuerdo con la invención células hospedadoras bacterianas, de levadura u otros hongos, insectos, plantas o células hospedadoras animales tales como células de ovario de hámster chino o células de mono o líneas celulares humanas. Así, también está dentro del alcance de la invención una célula hospedadora que comprende ADN o un vector de expresión de acuerdo con la invención. Las células hospedadoras modificadas por ingeniería genética pueden cultivarse en medios nutrientes convencionales que pueden modificarse, por ejemplo, para la selección, amplificación o inducción de la transcripción apropiada. Las condiciones de cultivo tales como la temperatura, pH, nutrientes etc. son bien conocidas por los expertos habituales en la materia.
Las técnicas para la preparación de ADN o del vector de acuerdo con la invención, así como la transformación o transfección de una célula hospedadora con dicho ADN o vector son convencionales y bien conocidas en la técnica, véase, por ejemplo, Sambrook et al., Molecular Cloning: A laboratory Manual 2ª Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
En otro aspecto de la invención se proporciona una proteína que comprende la secuencia de aminoácidos codificada por cualquiera de las moléculas de ADN arriba descritas. Preferiblemente, la proteína de acuerdo con la invención comprende una secuencia de aminoácidos codificada por los nucleótidos 499-1695 de la SEC ID Nº:1 o de los nucleótidos 387-1427 de la SEC ID Nº:2, respectivamente. También forman parte de la invención proteínas resultantes del procesamiento postraduccional, estando codificadas dichas proteínas por el polinucleótido de esta invención.
También se incluyen en la invención equivalentes funcionales, es decir, proteínas homólogas a secuencias de aminoácidos de KshA y KshB o partes de las mismas, que tienen variaciones de la secuencia aunque todavía mantienen las características funcionales. Las variaciones que pueden producirse en una secuencia pueden demostrarse por una o más diferencias de aminoácidos en la secuencia total o por deleciones, sustituciones, inserciones, inversiones, o adiciones de uno o más aminoácidos en dicha secuencia. Se han descrito sustituciones de aminoácidos que se espera que no alteren esencialmente las actividades biológicas. Son reemplazos de aminoácidos entre aminoácidos relacionados o reemplazos que han ocurrido frecuentemente en la evolución, entre otros Ser/Ala, Ser/Gly, Asp/Gly, Asp/Asn, Ile/Val (véase Dayhof, M.D., Atlas of protein sequence and structure, Nat. Biomed. Res. Found., Washington D.C., 1978, vol. 5, suppl. 3). Basándose en esta información, Lipman y Pearson desarrollaron un método para la comparación rápida y sensible de proteínas (Science, 1985, 227, 1435-1441) y la determinación de la similitud funcional entre polipéptidos homólogos. Quedará claro que también los polinucleótidos que codifican tales variantes son parte de la invención. Los polipéptidos de acuerdo con la presente invención también incluyen polipéptidos que comprenden una secuencia de aminoácidos codificada por los nucleótidos 499-1695 de la SEC ID Nº:1 o de los nucleótidos 387-1427 de la SEC ID Nº:2, respectivamente, pero también polipéptidos con una similitud de al menos el 70%, preferiblemente el 80%, más preferiblemente el 90% e incluso más preferiblemente el 95%. También se incluyen partes de tales polipéptidos todavía capaces de conferir efectos biológicos.
Otro aspecto de la presente invención son microorganismos genéticamente modificados. Para la construcción de cepas mutantes incapaces de la 9\alpha-hidroxilación, deben identificarse los genes que codifican la actividad KSH y debe conocerse su secuencia de nucleótidos. Los dos genes de esta invención, designados kshA y kshB, se identificaron en Rhodococcus erythropolis SQ1 y codificaban KSH. Estos genes se clonaron por complementación funcional de dos cepas mutantes UV designadas RG1-UV26 y RG1-UV39, ambas defectuosas en la 9\alpha-hidroxilación de AD(D). Se aislaron por una exploración extensiva de células W irradiadas de R. erythropolis de la cepa RG1 (van der Geize, R. et al. FEMS Microbiol. Lett. Submitted 2001), un mutante de deleción del gen kstD (que codifica la 3-cetoesteroide \Delta^{1}-deshidrogenasa = KSTD1) de la cepa SQ1. Las cepas RG1-UV26 y RG1-UV39 eran incapaces de crecer en AD y ADD, pero crecían normalmente en 9OHAD, indicando deficiencia de la actividad KSH.
Para la complementación funcional de las cepas mutantes RG1-UV26 y RG1-UV39 deficientes en KHS y la clonación de los genes kshA y kshB, se construyó una genoteca de R. erythropolis RG1 usando un vector lanzadera Rhodococcus-E.coli pRESQ (Figura. 1). El ADN cromosómico de R. erythropolis RG1 digerido con Sau3A se ajustó con gradiente de sacarosa a 6-10 kb y se ligó en pRESQ digerido con BglII. La transformación de E. coli Top10F' (Invitrogen Corp.) con esta mezcla de ligamiento generó una genoteca de aproximadamente 15.000 transformantes en la que aproximadamente el 90% de las construcciones contenían insertos. Se estimó un tamaño medio de inserto de 6 kb. No fueron evidentes complicaciones con la estabilidad o reorganizaciones. La genoteca representa el genoma completo (p>9,99) asumiendo un tamaño de genoma de aproximadamente 6 Mb.
Al introducir la genoteca de R. erythropolis RG1 en cepas RG1-UV39 y RG1-UV26 y posteriormente explorar la complementación de deficiencia de KSH, se obtuvo la clonación de dos fragmentos de ADN independientes que contenían el gen kshA y el gen kshB, respectivamente (Figura 2).
El análisis de estos genes reveló que kshA codifica una proteína de 398 aminoácidos (KshA). KshA mostró una alta similitud (58% de identidad; 84% de similitud) con una proteína hipotética codificada por el gen Rv3526 (DDBJ/EMBL/Genbank, nº de acceso CAB0501) en Mycobacterium tuberculosis (Cole, S.T. et al. Nature (1998) 393:537-544). Por lo tanto, es de esperar que Rv3526 sea el homólogo de kshA en M. tuberculosis. La comparación de la secuencia de nucleótidos obtenida de kshA con bases de datos reveló adicionalmente que kshA es idéntico (en un 97%) a un gen hipotético (ORF12), encontrado por Maeda, M. et al. (Appl. Environ. Microbiol. (1995) 61:549-555) en la cepa TA421 de R. erythropolis (DDBJ/EMBL/GenBank, nº de acceso D88013) aguas arriba de bphC1 (Fig. 3). En analogía con la organización molecular encontrada en la cepa TA421, también se identificó un hipotético ORF11, identificado en esta cepa aguas abajo de ORF12, aguas abajo de kshA en la cepa SQ1. Por lo tanto, se unieron las secuencias de nucleótidos de los fragmentos de ADN de la cepa SQ1 y de la cepa TA421 y la secuencia de nucleótidos teórica resultante se usó para la construcción con éxito del plásmido pKSH126 (Fig. 3) usado para la introducción de una deleción del gen kshA en marco no marcado en la cepa SQ1 de R. erythropolis (produciendo una cepa RG2) y la cepa RG8 (produciendo la cepa RG9).
El gen kshB codifica una proteína de 346 aminoácidos (KshB). Las búsquedas de similitud de las bases de datos revelaron que KshB mostraba alta similitud con los componentes de la ferredoxina reductasa de oxigenasas multicomponentes. La mayor similitud (56% de identidad; 85% de similitud) se encontró con Rv3571 de M. tuberculosis (DDBJ/EMBL/Genbank, nº de acceso A70606).
La inactivación de kshA o kshB por deleción de genes no marcados da cepas mutantes definidas molecularmente y genéticamente estables capaces de realizar una \Delta^{1}-deshidrogenación selectiva de AD produciendo ADD que no se metaboliza adicionalmente debido a la ausencia de actividad KSH (véase el documento WO 01/31050). Usando el sistema de contraselección sacB (descrito en el documento WO 01/3105), se construyeron tres cepas mutantes de deleción de genes no marcados: un mutante kshA de RG2 de R. erythropolis usando pKSH126 (Fig. 3), un mutante kshB de R. erythropolis RG4 usando pKSH212 (Fig. 4) y un mutante kstD kstD2 kshA de R. erythropolis RG9. Las cepas RG2 y RG4 proceden de R. erythropolis SQ1. La cepa RG9 procede del mutante kstD kstD2 de R. erythropolis RG8 usando pKSH126 (Fig. 3). La cepa RG8 carece de las dos isoenzimas 3-cetoesteroide \Delta^{1}-deshidrogenasa (KSTD1 y KSTD2; descritas en el documento WO 01/31050).
Así, otro aspecto de esta invención es un microorganismo bloqueado en la actividad 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa caracterizado por que es un microorganismo genéticamente modificado, en particular de la familia de los Actinomicetales, preferiblemente del género Rhodococcus y más preferiblemente de Rhodococcus erythropolis. También se prefiere una cepa en la que está inactivado al menos un gen que codifica la actividad 3-cetoesteroide \Delta^{1}-deshidrogenasa, preferiblemente por una deleción de genes no marcados. En particular, se prefieren las cepas RG2, RG4 y RG9.
También es un aspecto de la presente invención un método para construir una cepa genéticamente modificada de un microorganismo degradador de esteroides, que carezca de la capacidad de degradar el núcleo del esteroide, comprendiendo el método la inactivación de los genes que codifican la actividad KSH, preferiblemente del gen kshA y/o el gen kshB. Preferiblemente, la inactivación del gen o los genes se lleva a cabo por deleción dirigida de genes, preferiblemente no marcados.
Otro aspecto más de la presente invención es el uso de microorganismos genéticamente modificados en la \Delta^{1}-deshidrogenación de esteroides, en particular en la preparación de 1,4-androstadieno-3,17-diona y prednisolona. Preferiblemente, el microorganismo para tal uso se ha obtenido por inactivación de genes dirigida, preferiblemente deleción de genes no marcados, de los genes que codifican la actividad KSH en un microorganismo de la familia de los Actinomicetales, preferiblemente el gen kshA y/o el gen KshB. Los microorganismos preferidos para este uso se seleccionan de las cepas genéticamente modificadas RG2, RG4 y RG9.
Las cepas de microorganismos Rhodococcus erythropolis RG2, RG4 y RG9 se han depositado en el Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ), Mascheroder Weg 1b, D-35124 Braunschweig, Alemania, con los números de acceso DSM, 14544, DSM 14545 y DSM 14546, respectivamente. Estos depósitos se han realizado según los términos del Tratado de Budapest.
Los métodos de construcción de vehículos para usarse en el protocolo de mutagénesis son bien conocidos (Sambrook et al. Molecular Clonning: a Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, última edición). Además, las técnicas de mutagénesis dirigida, ligación de secuencias adicionales, PCR, secuenciación del ADN y construcción de sistemas de expresión adecuados son bien conocidas en la técnica en este momento. Pueden construirse sintéticamente partes o todo el ADN que codifica la proteína deseada usando técnicas convencionales de fase sólida, preferiblemente para incluir sitios de restricción para facilitar la ligación.
Las modificaciones y variaciones del método por introducir mutaciones de genes fragmentados, inactivación dirigida de genes y, en particular, deleción de genes no marcados, así como la transformación y conjugación serán obvias para los expertos en la materia a partir de la descripción detallada de la invención. Se pretende que tales modificaciones y variaciones estén dentro del alcance de la presente solicitud. Una persona experta en la materia entenderá cómo usar los métodos y materiales descritos y citados en este documento para construir microorganismos carentes de actividad KSH.
Los siguientes ejemplos son ilustrativos para la invención y de ninguna manera deben considerarse limitantes del alcance de la invención.
Leyendas a las figuras
Figura 1. El vector lanzadera pRESQ de Rhodococcus-E.coli basado en pZErO-2.1 (línea curva delgada) usado para construir una genoteca de R. erythropolis RG1. Rep: región de 2,5 kb de pMVS301 que codifica la replicación autónoma en Rhodococcus sp. (línea curva gruesa), lacZ-ccdB: marcador de selección positiva en E. coli.aphII: marcador de resistencia a kanamicina para la selección en Rhodococcus y E. coli.
Figura 2. La estrategia de clonación e identificación separadas de los genes kshA y kshB que codifican la actividad KSH en R. erythropolis SQ1 por complementación funcional de las cepas mutantes UV RG1-UV39 (A) y RG1-UV26 (B), respectivamente, usando varias construcciones derivadas de pRESq.
Figura 3 (A). Visión general del fragmento de ADN de 2,6 kb de R. erythropolis SQ1 que codifica kshA y su homólogo de 4,1 kb en R. erythropolis TA421. La barra gris del ORF12, junto con la flecha negra (tamaño de ORF12 propuesto por Maeda et al. (1995)), representa el verdadero tamaño de ORF12 en R. erythropolis TA421, que es idéntico (97%) a kshA. La "X" indica el punto de fusión de las dos secuencias. (B) Esquema de las secuencias de nucleótidos teóricamente unidas de los fragmentos de ADN de la cepa SQ1 y la cepa TA421, y su uso en la construcción del plásmido pKSH126 para la deleción del gen kshA en marco no marcado en la cepa SQ1 y la cepa RG8. Los números 1-4 indican los cebadores usados para obtener los productos de PCR 1 y 2 para la construcción del plásmido pKSH126 usado para la deleción del gen kshA no marcado en la cepa parental SQ1 y la cepa mutante de kstD kstD2 RG8.
Figura 4. Esquema de clonación para la construcción del plásmido pKSH212 usado en la construcción de la cepa mutante de deleción del gen kshB no marcado RG4 a partir de la cepa parental SQ1.
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Ejemplos General Construcción del vector lanzadera pRESQ
Se construyó un derivado de pZErO-2.1 (Invitrogen Corp. San Diego, Calif.) en el que el sitio BamHI se reemplazó por un sitio BglII (Fig. 1). Un fragmento SacI-StuI de pZErO-2.1, que contenía el gen lacZ-ccdB, se duplicó por PCR usando un cebador directo mutagénico (5' ACCGAGCTCAGATCTACTAGTAACGGC 3', SEC ID Nº:3), que contenía el sitio de restricción BglII deseado (subrayado doble) y un sitio de restricción SacI (subrayado), y un cebador inverso (5' ATTCAGGCCTGACATTTATATTCCCC 3', SEC ID Nº:4) con un sitio de restricción StuI (subrayado). El producto obtenido de PCR se digirió con enzimas de restricción SacI y StuI y se ligó al pZErO-2.1 digerido con SacI-StuI (pRES 14). El gen aphII de pWJ5 (Jäger, W.A. et al. (1992). J Bacteriol 174:5462-5465) se clonó como fragmento romo HindIII-BamHI (relleno con Klenow) en pBlueScript (II) KS digerido con EcoRV para construir pBsKm1. El sitio único BglII en pBsKml se destruyó por digestión con BglII seguido de relleno de Klenow (pRES4). El cassette de ampicilína presente en pRES4 se retiró por autoligación seguida de digestión con BspHI (pRES9). Un fragmento de 2,5 kb BglII-XbaI de pMVS301 (Vort-Singer, M.F. et al., (1988) J. Bacteriol. 170: 638-645), que contenía la región de replicación autónoma en Rhodococcus sp., posteriormente se ligó a pRES9 digerido con BamHI-XbaI para construir pRES11. La construcción de pRESQ (6,55 kb) se completó por ligación a un fragmento de 4,15 kb BspHI/NcoI de pRES11 en pRES14 digerido con BspHI-NcoI.
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Ejemplo 1 Inactivación de la actividad esteroide 9\alpha-hidroxilasa por mutagéneis UV
Células (2 x 10^{8} UFCs\cdotml^{-1}) de la fase exponencial tardía de R. erythropolis RG1 (= mutante kstD) cultivadas en medio mineral con glucosa 10 mM se sometieron a tratamientos ultrasónicos durante un corto periodo de tiempo para obtener células individuales. Se extendieron muestras diluidas (10^{4}) en medio agar mineral con glucosa y se irradiaron durante 15-20 seg con una lámpara UV (Philips TAW 15W) a una distancia de 27 cm, resultando como resultado una destrucción media de las células del 95%. Después de 4 días de incubación, las colonias que habían aparecido se cultivaron de forma replicada en medio agar mineral con AD (0,5 g\cdotl^{-1} solubilizado en DMSO (50 mg\cdotml^{-1})). Una selección de mutantes deficientes en el crecimiento en AD(D) de R. erythropolis RG1 capaces de crecer en medio mineral 90HAD produjo dos mutantes que tenían claramente impedida la reacción de la KSH. Estos mutantes, denominados cepa RG1-UV26 y cepa RG1-UV39, no mostraron crecimiento después de 3-4 días con AD o ADD como única fuente de carbono y de energía, mientras que el crecimiento en medio agar mineral 9OHAD fue normal.
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Ejemplo 2 Clonación y caracterización molecular de kshA y kshB
La genoteca de la cepa RG1 de R. erythropolis se introdujo en la cepa RG1-UV39 por electrotransformación para complementar su fenotipo mutante (Fig. 2). Se aisló un clon que contenía un inserto de 6 kb (pKSH101) que era capaz de restaurar el crecimiento de la cepa RG1-UV39 en medio agar mineral con AD. El análisis del mapa de enzimas de restricción, la subclonación en pRESQ y los experimentos de complementación posteriores dieron como resultado la identificación de un fragmento de ADN de 1,8 kb BamHI-Sau3A (pKSH106) que todavía era capaz de complementar la cepa RG1-UV39 (Fig. 2). Este inserto de 1, 8 kb se clonó en pBlueScript(III) KS y se determinó su secuencia de nucleótidos. El análisis de la secuencia de nucleótidos reveló un solo ORF de 1.197 nt (kshA, 499-1695 de la SEC ID Nº:1) que codificaba una supuesta proteína de 398 aa (KshA).
La complementación de R. erythropolis RG1-UV26 con la genoteca de la cepa RG1 tuvo como resultado el aislamiento del clon pKSH200 capaz de restaurar el crecimiento de la cepa RG1-UV26 en medio agar mineral con AD (Fig. 2). Mediante los experimentos posteriores de análisis del mapa de restricción, subclonación y complementación de pKSH200 se identificó un fragmento de 2,8 kb BglII-Sau3A (pKSH202) que todavía era capaz de restaurar el fenotipo mutante de la cepa RG1-UV26 (Fig. 2). Este fragmento se subclonó en pBlueScript (II) KS y se determinó su secuencia de nucleótidos. El ORF responsable de complementar el fenotipo mutante RG1-UV26 se identificó a partir de un experimento de complementación posterior. Se usó un sitio de restricción Asp718 mapeado en el fragmento de 2,8 kb para construir pKSH205, que ya no podía complementar el fenotipo mutante (Fig. 2). De esta manera, la enzima de restricción Asp718 se localiza dentro del ORF responsable de la complementación. El ORF identificado de 1.041 nt se denominó kshB (387-1427 de SEC ID Nº:2; contenido en GC, 62,3%) que codifica una supuesta proteína de 346 aminoácidos con un peso molecular calculado de 37,1 kDa (KshB).
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Ejemplo 3 Deleción de genes sin marcar de kshA en R. erythropolis SQ1
Para la deleción en marco de genes no marcados de kshA (\DeltakshA), se construyó pKSH126. Se obtuvo un fragmento de 1,3 kb (producto 1 de PCR 1) a partir de pKSH101 usando un cebador (Fig. 3 cebador 1) que hibridaba con secuencias aguas arriba de kshA (5' CGCGGGCCCATCGAGAGCACGTT 3', SEC ID Nº:5), y un cebador (Fig. 3 cebador 2) que hibridaba con el extremo-5' del gen kshA (5' GCGCCCGGGTCCGAGTGCCATGTCTTC 3', SEC ID Nº:6) que contenía un sitio SmalI (subrayado). Los cebadores para el producto 2 de PCR se desarrollaron usando la secuencia de nucleótidos de las secuencias fusionadas de la cepa SQ1 y la cepa TA421 (DDBJ/EMBL/GenBank, nº de acceso D88013). El producto 2 de la PCR (840 pb) se obtuvo a partir del ADN cromosómico de SQ1 usando un cebador directo (Fig. 3 cebador 3) que hibridaba con el extremo 3' del gen kshA (5' GCGCCCGGGACAACCTCCTGATTCGCAG
TC 3', SEC ID Nº:7), que incluye un sitio de restricción SmaI (subrayado), y un cebador reverso (Fig. 3 cebador 4) que hibridaba con el ORF11 (5' GCGTCTAGAGTGGAAGAGCATTCCCTCGCA 3', SEC ID Nº:8), que incluye un sitio de restricción XbaI (subrayado). El sitio de restricción SmaI se introdujo para dar una deleción en marco de kshA después de la ligación de este fragmento de PCR detrás del gen kshA truncado en posición 5' a partir del producto 1 de la PCR. Finalmente, un fragmento SalI-XbaI de 2,05 kb procedente de pKSH125 se ligó en el vector pK18mobsacB (pKSH126).
La deleción en marco no marcada del gen kshA se obtuvo por introducción del vector mutagénico pKSH126 en la cepa SQ1 seguida de la contraselección de sacB (documento WO 01/31050). El gen kshA de tipo silvestre se redujo a un ORF (\DeltakshA) de 30 nt, que codificaba solo 9 aminoácidos (MALGPGTTS). La deleción génica de kshA se confirmó por el análisis Southern de ADN cromosómico digerido con BamHI usando el inserto de 2 kb de pKSH126 como sonda: un fragmento BamHI de ADN de tipo silvestre de 2,05 kb se redujo a 0,88 kb en las cepas mutantes de deleción génica. La cepa resultante se denomina R. erythropolis RG2.
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Ejemplo 4 Deleción de genes no marcados de kshB en R. erythropolis SQ1
Para la deleción en marco de genes no marcados de KshB, se construyó pKSH212 (Fig. 4). Para este propósito, pKSH201 se fusionó con un producto de PCR (1.275 pb) obtenido a partir de pKSH202 como una plantilla. El producto de PCR se obtuvo con un cebador directo 5' GCGGGTACCGATCGCCTGAAGATCGAGT 3' (SEC ID Nº: 9) y un cebador inverso 5' GCGAAGCTTGCCGGCGTCGCAGCTCTGTG 3' (SEC ID Nº 10) y ligado (romo) en pBlueScript (II) KS digerido con EcoRV (pKSH210). En el extremo 5'-terminal de este producto de PCR se introdujo un sitio de restricción Asp718, que precede al codón de parada de kshB (véase el cebador directo) para asegurar la deleción en marco adecuada de kshB después de la ligación con el sitio de restricción Asp718 de pKSH201. En el extremo 3'-terminal se añadió un sitio de restricción HindIII (véase el cebador reverso), compatible con el sitio de restricción HindIII de pKSH201, para propósitos de clonación. El producto de PCR se aisló a partir de pKSH210 por digestión con Asp718-HindIII (1.263 pb) y se ligó a pKSH210 digerido con Asp718-HindIII (Fig. 2) (pKSH211), introduciendo de esta manera la deleción en marco deseada kshB (Fig. 4). Finalmente, un fragmento de ADN BamHI-HindIII (2,2 kb) que contenía la deleción de kshB se ligó a pK18mobsacB (véase el documento WO 01/31050) digerido con BamHI y HindIII (pKSH212).
El plásmido pKSH212 se introdujo en R. erythropolis SQ1 por conjugación, usando Escherichia coli S17-1. Se obtuvo una deleción del gen kshB no marcado usando el sistema de contraselección de sacB (documento WO 01/31050). Se exploraron los posibles mutantes kshB por cultivo replicado en placas de agar mineral con AD, lo cual permitió aislar mutantes de kshB incapaces de crecer en AD. Se realizó un análisis Southern sobre el ADN cromosómico digerido con Asp718 de tipo silvestre y tres mutantes deficientes en el crecimiento con AD. La hibridación con el gen kshB completo mostró que kshB no estaba presente en el genoma de los supuestos mutantes de kshB. Se encontró una clara señal de hibridación (fragmento de 4,3 kb) exclusivamente con ADN cromosómico de tipo silvestre. Análisis adicionales de Southern con una sonda alternativa, que era el inserto de 2,2 kb de pKSH212 que comprendía las dos regiones flanqueantes de kshB, confirmó adicionalmente la deleción del gen kshB: un fragmento de ADN de 4,3 kb de Asp718 que contenía el gen kshB se redujo a 3,3 kb en un mutante de kshB, demostrando la sustitución del gen kshB de 1,041 pb por un resto en marco de kshB de 30 nt (que codifica MTTVEVPIA). La cepa resultante se denomina R. erythropolis RG4.
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Ejemplo 5 Uso de cepas genéticamente modificadas RG1-UV26, RG1-UV39, RG2, RG4 y RG9 en la \Delta^{1}-deshidrogenación de esteroides
Se cultivaron cepas RG2 y RG4 en medios de agar mineral que contenían AD, ADD o 9OHAD como única fuente de carbono y de energía. Ambas cepas mostraron ausencia de crecimiento en AD(D), mientras que el crecimiento en 9OHAD era comparable a la cepa SQ1. Estos fenotipos están de acuerdo con los encontrados con cepas mutantes UV RG1-UV26 y RC1-UV39. La bioconversión de AD (1 g\cdotl^{-1}) con la cepa SQ1 tiene como resultado la utilización de AD, pero no la acumulación de ADD u otros metabolitos. La bioconversión de AD (1 g\cdotl^{-1}) por la cepa RG2 o la cepa RG4 dio como resultado niveles comparables de acumulación de ADD (que variaban entre 0,3-0,5 g\cdotl^{-1} después de 168 h). Por lo tanto, la 9\alpha-hidroxilación de AD(D) se bloquea por inactivación de kshA o kshB, demostrando el papel esencial tanto de kshA como de kshB en la actividad KSH en R. erythropolis SQ1. En los experimentos de bioconversión de AD con la cepa RG9, no se observó ni una bajada de la concentración inicial de AD ni la formación de 90HAD. La cepa mutante RG9 confirma así que kshA codifica la actividad 9\alpha-hidroxilasa de AD y que, al contrario de las isoenzimas de KSTD, no están presentes más isoenzimas de KSH en R. erythropolis SQ1.
<110>
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<120> delta-1-deshidrogenación microbiana de esteroides
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<130>
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<160> 10
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<170> versión 3.1 de la patente
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SEC ID Nº:1
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<210> 1
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<211> 1770
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<212> ADN
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<213> Rhodococcus erythropolis SQ1
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<400> 1
1
10
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SEC ID Nº:2
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<210> 2
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<211> 1500
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<212> ADN
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<213> Rhodococcus erythropolis SQ1
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<400> 2
2
20
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SEC ID Nº: 3
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<210> 3
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<211> 27
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 3
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\hskip-.1em\dddseqskip
accgagctca gatctactag taacggc
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SEC ID Nº:4
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<210> 4
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<211> 26
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<212> DNA
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<213> artificial: cebador
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<400> 4
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\hskip-.1em\dddseqskip
attcaggcct gacatttata ttcccc
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SEC ID Nº:5
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<210> 5
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<211> 23
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 5
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\hskip-.1em\dddseqskip
cgcgggccca tcgagagcac gtt
\hfill
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SEC ID Nº:6
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<210> 6
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<211> 27
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 6
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\hskip-.1em\dddseqskip
gcgcccgggt ccgagtgcca tgtcttc
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SEC ID Nº:7
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<210> 7
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<211> 30
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 7
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\hskip-.1em\dddseqskip
gcgcccggga caacctcctg attcgcagtc
\hfill
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SEC ID Nº:8
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<210> 8
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<211> 30
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 8
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\hskip-.1em\dddseqskip
gcgtctagag tggaagagca ttccctcgca
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SEC ID Nº:9
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<210> 9
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<211> 28
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 9
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\hskip-.1em\dddseqskip
gcgggtaccg atcgcctgaa gatcgagt
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SEC ID Nº:10
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<210> 10
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<211> 29
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<212> ADN
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<213> artificial: cebador
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<400> 10
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\hskip-.1em\dddseqskip
gcgaagcttg ccggcgtcgc agctctgtg
\hfill

Claims (7)

1. Un método para construir una cepa genéticamente modificada de un microorganismo que degrada esteroides que carece de la capacidad de degradar el núcleo del esteroide, comprendiendo el método la inactivación de los genes que codifican la actividad-KSH, el gen kshA de la SEC ID Nº:1 y/o el gen kshB de la SEC ID Nº2.
2. El método de reivindicación 1, en el que la inactivación del gen o los genes se realiza por una deleción de genes dirigida y preferiblemente sin marcar.
3. Un microorganismo con la actividad 3-cetoesteroide 9\alpha-hidroxilasa bloqueada caracterizado por que es un microorganismo genéticamente modificado, preferiblemente de la familia de los Actinomicetales, obtenible por el método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2.
4. El microorganismo de la reivindicación 3, que es del género Rhodococcus.
5. El microorganismo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, en el que también se inactiva al menos un gen que codifica la actividad 3-cetoesteroide \Delta^{1-}deshidrogenasa, preferiblemente por una deleción de genes sin marcar.
6. El microorganismo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3-5, que se selecciona entre los microorganismos genéticamente modificados RG2, RG4 y RG9, DSM 14544, DSM 14545 y DSM 14546 respectivamente.
7. Un uso de los organismos genéticamente modificados de acuerdo con las reivindicaciones 3-6 en la \Delta^{1}-deshidrogenación de esteroides, preferiblemente en la preparación de 1,4-androstadieno-3,17-diona y prednisolona.
ES03714925T 2002-02-21 2003-02-19 Identificacion de genes de la 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa y microorganismos bloqueados de la actividad 3-cetoesteroide 9-alfa-hidroxilasa. Expired - Lifetime ES2342271T3 (es)

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