Directed evolution of ancestral and modern enzymes

Resumen

La reconstrucción y resurrección (i.e. expresión funcional en un hospedador heterólogo) de secuencias ancestrales permite obtener enzimas con diferentes propiedades que al ser combinadas con la evolución dirigida pueden dar lugar al desarrollo de una nueva generación de biocatalizadores. En la presente Tesis Doctoral hemos explorado la combinación de estos potentes métodos usando como modelos dos sistemas enzimáticos diferentes, Rubisco y lacasa. En el primer capítulo se reconstruyeron y resucitaron (en Escherichia coli) nodos de rubiscos Precámbricas con el fin de evolucionarlos en paralelo con una versión moderna de Rubisco. Se desarrolló un método de cribado dual in vitro para poder identificar variantes termoestables y funcionales tras aplicar varias estrategias de evolución dirigida. Las enzimas Precámbricas destacaron por una alta tolerancia a tasas mutagénicas, expresión funcional mejorada y valores cinéticos diferentes a los de las enzimas modernas. En particular, la rubisco ancestral evolucionada, clon B2, despuntó como caso de estudio de esta complicada enzima debido al cambio de sus constantes cinéticas, siguiendo un patron alternativo con respecto a otras Rubisco. En el segundo capítulo se llevó a cabo la resurrección y evolución dirigida de lacasas de basidiomicetos. En primer lugar, se reconstruyeron y resucitaron en Saccharomyces cerevisiae nodos de lacasas del Mesozoico. Las enzimas ancestrales mostraron mayor nivel de expresión heteróloga así como un perfil de estabilidad a diferentes pHs más amplio que el de la versión –evolucionada en el laboratorio- moderna. El nodo ancestral más prometedor fue sometido a evolución estructuralmente guiada para la oxidación de β-dicetonas, un tipo de mediador redox poco usual capaz de iniciar la polimerización de monómeros de vinilo. El capítulo final de la Tesis trata sobre el diseño consenso, un método clásico de ingeniería de proteínas para aumentar la estabilidad sin afectar a la actividad. Se aplicó un método consenso propio para la estabilización de una lacasa de alto potencial redox evolucionada en el laboratorio. Se llevó a cabo un alineamiento de múltiples secuencias que fue refinado computacionalmente mediante el uso de los marcadores de entropía relativa e información mutua. Mediante este procedimiento se identificaron 20 mutaciones consenso, 18 de las cuales corresponden a mutaciones ancestrales-consenso. Se analizó la posible epistasia de estas mutaciones mediante recombinación dirigida in vivo y se caracterizó el mejor mutante que presentó mayores niveles de estabilidad, valores cinéticos y secreción.