biotecnologia_03

Upload: jose-quirino-neto

Post on 24-Feb-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    1/54

    118Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Curso de

    Biotecnologia

    MDULO III

    Ateno:O material deste mdulo est disponvel apenas como parmetro de estudos paraeste Programa de Educao Continuada. proibida qualquer forma de comercializao domesmo. Os crditos do contedo aqui contido so dados aos seus respectivos autoresdescritos nas Referncias Bibliogrficas.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    2/54

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    3/54

    120Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    4.1 Vetores de Expresso

    Vetores de expresso, assim como j definido no mdulo II, so

    aqueles de clonagem que contm os elementos genticos necessrios

    expresso de genes, de acordo com o tipo celular que est sendo utilizado

    como hospedeiro. Eles podem ser de dois tipos, os de expresso procariotos e

    os de expresso eucariotos. Apesar desta classificao distinta, muitas

    caractersticas estruturais dos vetores so similares, diferindo apenas no fato

    de que as sequncias genticas utilizadas so isoladas de procariotos ou de

    eucariotos, respectivamente. Estas estruturas fornecem funcionalidades eresultados distintos.

    A biotecnologia uma cincia de interesse industrial. Por isso, a

    quantidade em que determinado bem produzida se torna fator crucial para a

    implantao de um determinado protocolo. Diversas estruturas envolvidas com

    a produo de protenas foram manipuladas, visando aperfeioar todos os

    aspectos envolvidos neste processo: a transcrio, a traduo, a estabilidade

    da protena e a sua secreo para o meio. Para isso, diferentes elementosgenticos tm sido modificados e testados na construo de novos vetores de

    expresso procariotos e eucariotos. De maneira geral, as principais

    caractersticas que tm sido manipuladas para aumentar os nveis de

    expresso de protenas recombinantes so:

    I. As sequncias relacionadas com a transcrio, como os

    promotores e os terminadores;

    II. O nmero de cpias do gene clonado, alm da localizao dasequncia codificadora em um plasmdeo ou integrado ao cromossomo;

    III. A eficincia da traduo no organismo hospedeiro;

    IV. A afinidade do stio de ligao do ribossomo;

    V. A estabilidade da protena no hospedeiro;

    VI. A localizao final da protena sintetizada.

    As caractersticas citadas acima permitem concluir que a expresso

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    4/54

    121Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    eficiente de protenas recombinantes dependente do aproveitamento de

    todos os passos, incluindo a transcrio, a traduo e o processamento

    proteico. Neste contexto, um dos aspectos iniciais que devem ser

    aperfeioados o nvel de transcritos. Para obt-los em altas quantidades,

    estudos vm sendo realizados na busca de elementos genticos envolvidos

    com o incio da transcrio, como o isolamento e caracterizao de sequncias

    promotoras.

    4.2 Sequncias Promotoras

    A eficiente transcrio de genes se inicia pelo reconhecimento das

    sequncias promotoras. Os nveis de expresso esto diretamente

    relacionados com a afinidade da RNAP a esta regio, permitindo que a

    sequncia de interesse seja frequentemente transcrita. Para que uma

    determinada sequncia promotora seja utilizada em processos biotecnolgicos,

    h a necessidade de se controlar de maneira precisa a taxa de transcrio.

    Para isso, devem-se conhecer os mecanismos envolvidos com a regulaognica do promotor.

    Por exemplo, a sequncia promotora do operon lac bem estudada e

    seus mecanismos de regulao so bem elucidados. Por isso, frequentemente

    ela utilizada na construo de vetores de expresso. Outros promotores com

    propriedades distintas tambm so teis sob determinadas condies de

    expresso gnica e, por isso, pesquisas foram conduzidas de forma a isolar e

    caracterizar novas sequncias promotoras.Promotores de diferentes organismos, tanto procariotos como

    eucariotos, foram isolados, caracterizados e, finalmente, utilizados na

    construo dos diferentes vetores de expresso j disponveis comercialmente.

    Apesar disso, a maioria de estudos deste tipo conduzida tendo como

    organismo modelo, a bactria E. coli. A explicao para esta escolha se baseia

    no fato de este micro-organismo ter o genoma sequenciado e ter sido bem

    estudado, o que facilita a manipulao das ferramentas genticas.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    5/54

    122Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Alm disso, a expresso de protenas de interesse nesta bactria

    apreciada devido aos nveis elevados do produto de interesse geralmente

    alcanados neste sistema. Estas caractersticas tornam o micro-organismo de

    eleio para estudos iniciais de produo de protenas recombinantes. Por este

    motivo, a maioria das caractersticas dos vetores de expresso descrita nesta

    apostila se refere aos elementos genticos de E. coli. Casos especficos de

    expresso em outros micro-organismos sero detalhados separadamente.

    4.2.1 Isolamento de Sequncias Promotoras

    O isolamento de sequncias promotoras pode ser realizado de diversas

    maneiras. Uma delas consiste no uso de genes reprteres, os quais codificam

    um produto cujas caractersticas fenotpicas podem ser prontamente

    visualizadas. A maioria destes marcadores permite que a seleo seja

    realizada por um mtodo colorimtrico, que apresenta uma alta sensibilidade e

    praticidade. O isolamento de sequncias promotoras pode ser realizado por

    meio do uso de vetores que contenham um gene reprter clonado na ausnciade um promotor.

    A metodologia envolvida neste processo envolve a ligao de uma

    sequncia de DNA aleatria, ou que se suspeite conter o promotor, a jusante

    deste gene. A insero de uma sequncia promotora no vetor reconhecida

    pela visualizao das caractersticas do agente seletor utilizado. Como a

    transcrio se inicia aps o reconhecimento do promotor pela RNAP, a

    expresso do gene marcador somente ocorrer caso a sequncia clonadacontenha uma sequncia promotora. Dois tipos de vetores podem ser utilizados

    com este propsito: o plasmdeo pBR316 e o pKO1.

    4.2.1.1 Seleo de Sequncias Promotoras pelo Plasmdeo pBR316

    O plasmdeo pBR316 foi utilizado em E. coli para o isolamento de

    diversos promotores. Para alcanar este objetivo, primeiramente alguns

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    6/54

    123Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    procedimentos de modificao do vetor devem ser realizados. Aps a extrao

    e purificao do vetor, ele submetido a uma digesto enzimtica com a

    enzima HindIII. O stio de restrio para esta enzima se localiza na regio

    promotora do gene codificador do antibitico tetraciclina. A digesto enzimtica

    resulta na gerao de um plasmdeo linearizado e de extremidades coesivas.

    Em seguida, estes vetores podem ser submetidos ao tratamento com duas

    enzimas diferentes, a nuclease S1 ou a DNAP I. A protena S1 digere a

    sequncia de fita simples das extremidades do vetor pBR316; por outro lado, a

    DNAP I completa esta sequncia. Portanto, ao final deste procedimento sero

    gerados dois plasmdeos distintos, os quais contm extremidades cegas deDNA fita dupla.

    As extremidades das duas verses lineares do vetor pBR316 so ento

    ligadas a um adaptador contendo o stio de restrio para EcoRI. Esta

    alterao final gera dois plasmdeos diferentes, que apresentam um nico stio

    de restrio para a enzima EcoRI. Um detalhe desta modificao a

    localizao do adaptador, o qual interrompe o promotor do gene da tetraciclina.

    Consequentemente, no haver expresso do gene que codifica o antibitico e,portanto, os transformantes alterados so sensveis e no cresceram em meio

    onde esta droga acrescentada. Os procedimentos utilizados na modificao

    deste plasmdeo esto ilustrados na Fig. 50.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    7/54

    124Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 50: Formao de dois plasmdeos distintos a partir do vetor pBR316.

    Inicialmente, o plasmdeo pBR316 digerido com a enzima HindIII,

    interrompendo o promotor do gene da tetraciclina. As extremidades coesivas

    geradas so ento submetidas a tratamentos diferentes. Uma opo a

    digesto de fita simples pela nuclease S1; a outra corresponde sua

    complementao com a DNAP I. Estes procedimentos geraro extremidades

    cegas. Estas so unidas novamente aps a ligao a um adaptador contendo

    AAGCTT

    TTCGAA

    A AGCTT

    TTCGA A

    A T

    T A

    A GAATTC T

    T CTTAAG A

    AAGCT AGCTT

    TTCGA TCGAA

    AAGCT GAATTC AGCTT

    TTCGA CTTAAG TCGAA

    Plasmdeo pBR316

    Stio restrio HindIII

    Digesto HindIII

    Digesto

    nuclease S1

    Preenchimento

    DNAP1

    Ligao do adaptador contendo o stio

    de restrio para EcoRI

    AAGCTT

    TTCGAA

    AAGCTT

    TTCGAA

    A AGCTT

    TTCGA A

    A AGCTT

    TTCGA A

    A T

    T A

    A T

    T A

    A GAATTC T

    T CTTAAG A

    A GAATTC T

    T CTTAAG A

    AAGCT AGCTT

    TTCGA TCGAA

    AAGCT AGCTT

    TTCGA TCGAA

    AAGCT GAATTC AGCTT

    TTCGA CTTAAG TCGAA

    AAGCT GAATTC AGCTT

    TTCGA CTTAAG TCGAA

    Plasmdeo pBR316

    Stio restrio HindIII

    Digesto HindIII

    Digesto

    nuclease S1

    Preenchimento

    DNAP1

    Ligao do adaptador contendo o stio

    de restrio para EcoRI

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    8/54

    125Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    um stio de restrio para EcoRI. Ao final, so gerados dois plasmdeos

    diferentes. (Fonte: figura modificada de Glick & Paternak, 1994).

    Os vetores modificados do plasmdeo pBR316 foram testados pelos

    pesquisadores quanto ao seu potencial no isolamento de promotores funcionais

    em E. coli. Para isso, fragmentos derivados da digesto do DNA genmico de

    diversas espcies procariotas foram clonados no stio de restrio de EcoRI.

    Como o promotor do gene da tetraciclina est inativo, somente a clonagem dos

    fragmentos de DNA que contenham uma sequncia promotora funcional em E.

    coli ser capaz de crescer em meio contendo tetraciclina.

    O isolamento de promotores funcionais em E. coli obteve sucesso pormeio do uso dos vetores derivados do pBR316. Apesar do potencial

    apresentado por esta estratgia, o uso deste plasmdeo exibe como

    desvantagem a falta de conhecimento a respeito da fora do promotor. Por

    isso, outros vetores foram construdos, como o plasmdeo pKO1.

    4.2.1.2Seleo de Promotores pelo Plasmdeo pKO1

    O plasmdeo pKO1 foi desenvolvido para ser utilizado na seleo de

    promotores fortes. Com esta finalidade, sua estrutura foi construda de forma a

    apresentar alguns requisitos, como:

    I. Um gene reprter que permita a pronta deteco de uma

    sequncia promotora quando esta for clonada a jusante do gene;

    II. Um marcador de seleo, que, no caso, corresponde a um

    antibitico;III. Um stio mltiplo de clonagem que deve se localizar antes da

    sequncia do gene reprter;

    IV. Um plasmdeo que seja estvel na clula hospedeira, com o

    nmero de cpias conhecido.

    Estruturalmente, o vetor pKO1 contm como marcador de seleo o

    gene da ampicilina, o que permite a seleo de clones que foram

    transformados com o vetor. Seu stio mltiplo de clonagem inclui stios de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    9/54

    126Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    restrio nicos reconhecidos por diferentes enzimas. Alm disso, possui trs

    cdons de paradas nas trs fases de leitura, evitando que a transcrio

    continue alm da sequncia de interesse, o que pode gerar um resultado falso-

    positivo. O gene reprter utilizado na construo do plasmdeo pKO1 uma

    quinase derivada do operon gal de E. coli. Este constitudo pelos genes galE,

    galT e galK, que codificam uma epimerase, uma transferase e uma quinase,

    respectivamente. A quinase uma protena cuja deteco ocorre por mtodos

    relativamente simples e sensveis, medindo os nveis da galactose-1-fosfato.

    Para a seleo de promotores funcionais em E. coli, sequncias de

    DNA suspeita de conterem promotores so digeridas e clonadas no pKO1. Amistura de DNA contendo os possveis recombinantes so ento utilizadas

    para transformar uma E. colide gentipo galE+, galT+ e galK-. Esta linhagem,

    quando alterada com um plasmdeo expressando a quinase, facilmente

    selecionada por sua habilidade de crescer em meio cuja nica fonte de carbono

    a galactose. Os transformantes com o vetor pKO1, nos quais foi clonada uma

    sequncia promotora, so diferenciados pelas caractersticas fenotpicas de

    colorao no meio McConkey.A expresso do gene da quinase gera uma enzima com atividade

    fermentadora, o que resulta em colnias que apresentam colorao vermelha

    no meio de eleio. Os vetores cuja sequncia clonada no contm um

    promotor funcional em E. coli no expressam a quinase, sendo distinguidas

    pela colorao branco-amarelada das colnias.

    A seleo dos clones pelas caractersticas fenotpicas utilizadas no

    vetor pKO1 ainda permite a distino entre a fora das sequncias promotorasclonadas. Para isso, inicialmente este vetor foi testado com sequncias

    promotoras j conhecidas. O que se utilizou como base para a diferenciao foi

    o crescimento das colnias. Promotores fortes induzem uma superexpresso

    da enzima quinase, produzindo colnias vermelhas de crescimento lento. Isto

    demonstra que altos nveis de transcrio de genes heterlogos representam

    um esforo metablico significativo para a clula. Este resultado confirma a

    potencialidade deste vetor no diferenciamento da fora dos promotores.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    10/54

    127Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    O plasmdeo pKO1 foi originalmente desenvolvido para o isolamento de

    sequncias promotoras. Apesar disso, este vetor tambm demonstrou a sua

    utilidade no isolamento e caracterizao de sequncias terminadoras. Com

    este propsito, os fragmentos que os contenham so inseridos entre um

    promotor conhecido e o gene galK. Os resultados destes experimentos

    demonstraram uma reduo de 50 vezes nos nveis de expresso da quinase,

    apesar das colnias ainda se apresentarem vermelhas.

    Se o terminador fosse inserido em um vetor contendo um promotor

    mais fraco, os nveis de expresso eram reduzidos de tal forma que as colnias

    chegavam a apresentar-se de colorao branco-amarelada. Portanto, apresena destas colnias indica que uma sequncia terminadora foi clonada no

    vetor pKO1, quando este contm uma sequncia promotora conhecida. Estes

    resultados demonstram a utilidade do plasmdeo pKO1 para o isolamento e

    caracterizao, tanto de sequncias promotoras, como de terminadoras.

    O isolamento e a caracterizao de sequncias promotoras um dos

    passos iniciais para atingir altas produes de uma protena de interesse.

    Contudo, esta caracterstica deve ser analisada com cautela. Altos nveis deexpresso e de forma constitutiva podem ser prejudiciais clula hospedeira.

    Isto constitui um grande gasto energtico, podendo at mesmo impedir

    algumas de suas funes vitais. Por isso, as pesquisas a respeito da

    caracterizao de promotores prosseguiram com a finalidade de isolar os que

    apresentassem uma expresso indutvel ao invs de constitutiva.

    4.2.2 Promotores Induzveis

    Diversos tipos de promotores induzveis j foram caracterizados e so

    frequentemente utilizados na construo de vetores de expresso. Entre eles,

    esto os promotores derivados do operon lac e do triptofano (trp). Todos

    interagem com protenas repressoras, permitindo que a induo e a represso

    da transcrio sejam reguladas. O promotor do operon lac, assim como

    descrito no mdulo I, regulado pela protena repressora LacI. Na ausncia de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    11/54

    128Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    lactose, esta protena se liga ao operador, impedindo que a RNAP prossiga

    com a polimerizao de uma cadeia de RNA.

    Portanto, neste caso a transcrio inibida. Contudo, na presena de

    do indutor, a protena repressora sofre alteraes alostricas, perdendo sua

    afinidade ao operador. Isto resulta no desligamento do repressor da sequncia

    de DNA, permitindo o incio da transcrio pela RNAP.

    Considerando os conhecimentos genticos a respeito da regulao da

    transcrio gnica do operon lac, a biotecnologia tem aproveitado o seu

    promotor e as suas sequncias reguladoras na construo de vetores cuja

    expresso pode ser regulada. A induo da transcrio pode ser feita comduas molculas diferentes: a lactose, como descrito nos estudos deste operon,

    e outra molcula sinttica e anloga da primeira, o isopropil--D-tiogalactosideo

    (IPTG).

    Os dois indutores tm aes semelhantes na regulao da transcrio

    do operon Lac, inibindo a ligao da protena repressora ao operador, o que

    permite o acesso e a atividade de polimerizao da RNAP. O uso do IPTG

    apresenta vantagens significativas sobre a lactose. Ele no metabolizadopela clula e, por isso, sua concentrao se mantm constante durante o ciclo

    celular. Esta caracterstica faz com que o IPTG seja o indutor

    preferencialmente eleito para experimentos de expresso gnica.

    Os experimentos de expresso com o promotor lac resultaram na

    expresso de diversas protenas. Entretanto, os nveis de expresso obtidos

    no so significativos e a fora do promotor considerada moderada. A

    biotecnologia uma cincia inovadora, cujas ferramentas esto submetidas aum processo de aperfeioamento contnuo. Sob este aspecto, novos

    promotores foram sendo estudados com o objetivo de obter nveis mais

    expressivos dos produtos de interesse. Considerando esta perspectiva, uma

    opo desenvolvida foi um promotor derivado do promotor lac, o lacUV5.

    O promotor lacUV5 um variante do promotor lac. A diferena entre os

    dois consiste em alteraes de nucleotdeos em relao sequncia consenso.

    O promotor lacUV5 contm um nucleotdeo diferente da sequncia consenso;

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    12/54

    129Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    por outro lado, a mesma comparao pode ser feita com o promotor selvagem

    lac, o qual apresenta trs nucleotdeos diferentes (Fig. 51). Os nveis de

    expresso obtidos pela variante so maiores se comparados aos obtidos pelo

    promotor lacselvagem.

    Figura 51: Comparao das sequncias promotoras lacUV5 e lac selvagem com a

    sequncia consenso.

    Observa-se que o promotor lacUV5 difere da sequncia consenso em

    apenas um nucleotdeo na regio -35. O mesmonucleotdeo tambm varia no

    promotor lac; entretanto, este ainda apresenta mais duas alteraes de

    nucleotdeos na regio -10 se comparado sequncia consenso. Osnucleotdeos alterados so apresentados na figura na pela cor vermelha.

    Outra opo de sequncia promotora a isolada do operon triptofano.

    O promotor trp negativamente regulado pela ligao do complexo formado

    entre o triptofano e a protena repressora. Portanto, a regulao do promotor

    realizada de uma maneira distinta da observada para o promotor lac, pois a

    protena repressora se liga ao operador somente na presena do triptofano

    (Fig. 52). Para induzir a transcrio gnica, necessria a remoo dotriptofano ou a adio do cido 3-indoleacrlico ao meio.

    lac UV5 TTTACA -- 18 -- TATAAT

    lac TTTACA -- 18 -- TATGTT

    Seqncia consenso TTGACA -- 17 -- TATAAT

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    13/54

    130Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 52: Regulao da transcrio do promotor trp.

    A figura apresenta as modificaes alostricas que a protena

    repressora assume aps a sua ligao ao triptofano, afetando a sua ligao ao

    operador. Quando esta molcula est disponvel, a protena repressora assume

    uma conformao que lhe permite se ligar ao operador. Esta interao impede

    Triptofano

    Repressor + Triptofano Repressor

    Quando triptofano est disponvel:

    Promotor

    RNA polimerase

    Quando triptofano est indisponvel:

    x

    RNA polimerase

    Incio da

    transcrioRepressor incapaz de

    se ligar ao operador

    Triptofano

    Repressor +Triptofano Repressor

    Quando triptofano est disponvel:

    Promotor

    RNA polimerase

    Quando triptofano est indisponvel:

    x

    RNA polimerase

    Incio da

    transcrioRepressor incapaz de

    se ligar ao operador

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    14/54

    131Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    fisicamente a ligao da RNAP ao promotor, no havendo consequentemente a

    transcrio do gene de interesse. Na ausncia de triptofano, a protena

    repressora assume outra conformao que no permite a sua ligao ao

    operador; assim, a RNAP pode iniciar a transcrio.

    A busca por novos promotores que apresentassem altos nveis de

    expresso no cessou, e dois outros foram gerados, o tac e o trc. Ambos so

    variantes hbridas dos promotores lac e trp, sendo formados pela regio -35 do

    promotor trp e pela regio -10 do operon Lac, incluindo o operador deste

    ltimo. A diferena entre os dois promotores a constituio do espao

    intergnico. Ambos exibem nveis de expresso gnica significativamente maiselevados se comparado aos promotores que lhes deram origem.

    Os altos nveis de expresso obtidos com os promotores tac e trc

    justificam o grande nmero de vetores de expresso comercialmente

    disponveis portando estas sequncias. Um deles est ilustrado na Fig. 53. A

    induo da expresso se faz de maneira idntica utilizada para o promotor

    lac. Apesar de o operador ser o mesmo entre os promotores, os vetores

    atualmente disponveis em regra utilizam um mecanismo de regulao distintoao do promotor lac.

    Figura 53: Vetor de expresso pGEX.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    15/54

    132Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Este vetor de expresso, comercialmente disponvel, contm o forte

    promotor tac (em destaque no boxe vermelho). Como os nveis de expresso

    obtidos pelos promotores tac e trc so significativamente mais elevados, foi

    exigido um mecanismo que permitisse uma regulao mais apropriada.

    Considerando este fato, os vetores frequentemente utilizam como estratgia

    para regular a expresso gnica dos promoteres tac e trc uma variante da

    protena repressora LacI, a LacIq(Fig. 54).

    A diferena entre as duas uma mutao na sequncia promotora da

    ltima, que permite uma produo mais elevada do repressor. A imposio deuma regulao mais forte importante para manter as funes metablicas da

    clula e para inibir nveis de expresso basal de protenas txicas para a

    hospedeira.

    Figura 54: Vetor de expresso pProEx-Hta (Gibco).

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    16/54

    133Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Este vetor contm a sequncia do promotor trc, sendo que seus nveis

    de expresso so regulados pela protena repressora LacIq (destacada na

    figura pelo boxe vermelho). (Fonte: Coelho, 2007). A questo de obter nveis de

    expresso gnica significativos ainda enquadra outro promotor muito utilizado

    em vetores de expresso, o pT7. Este promotor derivado do fago T7 e

    representa uma sequncia de alta afinidade para a RNAP, gerando altos nveis

    de transcritos. A fora deste promotor impulsionou o desenvolvimento de

    vetores de expresso como os pET, tornando-os a escolha para a expresso

    de genes de interesse (Fig. 55).

    Figura 55: Figura representativa do vetor de expresso pET.

    A ilustrao mostra os elementos genticos constituintes do vetor de

    expresso pET. Destaque para o promotor pT7, o qual induz altos nveis de

    expresso gnica. As sequncias reguladoras deste vetor geralmente so

    aquelas derivadas do operon lac.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    17/54

    134Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Os mecanismos envolvidos com a transcrio das sequncias clonadas

    nos vetores pET exige o conhecimento de certas particularidades. A transcrio

    a partir do promotor pT7 dependente da ao da enzima RNAP do fago T7.

    Isto constitui uma vantagem deste sistema de expresso, pois, como no h

    estoques em E. coli desta enzima, no se observa nveis basais de expresso.

    Contudo, esta afirmao um paradoxo, pois ao mesmo tempo em que esta

    caracterstica uma vantagem, ela tambm representa uma desvantagem. A

    necessidade da presena da RNAP do fago T7 impe a restrio da linhagem

    de E. coli que pode ser utilizada como hospedeira na expresso das protenas

    de interesse; estas devem ser capazes de expressar a enzima referida.A linhagem utilizada na expresso de protenas a partir do sistema pET

    a BL21. Ela contm a sequncia codificadora da RNAP do fago T7 integrada

    em seu cromossomo sob a regulao do promotor lacUV5 e das sequncias

    reguladoras do operon lac(Fig. 56). Assim, de maneira geral, a adio do IPTG

    cultura de clulas transformadas com o vetor recombinante induz a

    expresso da RNAP do fago T7. Esta ento capaz de interagir com o

    promotor pT7 presente no vetor pET, iniciando ento a transcrio do gene deinteresse.

    Figura 56: Constituio gentica da linhagem BL21.

    A sequncia codificadora da RNAP do fago T7 est inserida ao DNA

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    18/54

    135Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    cromossomal da linhagem BL21 de E. coli. A regulao da transcrio desta

    protena est sob a regulao de sequncias derivadas do operon Lac. Alm

    dos promotores induzveis pela adio de alguma substncia, outros vetores

    carregam sequncias promotoras induzidas por mudanas de temperatura,

    como o pL (Fig. 57). Este promotor derivado do fago lambda e pode ser

    controlado pelo repressor termossensvel cI.

    Em linhas gerais, as clulas transformadas com vetores que

    contenham o promotor em questo so cultivadas a uma temperatura entre 28

    a 30C, faixa dentro da qual o repressor capaz de se ligar ao operador.

    Quando a cultura alcana a fase de crescimento desejada, ela submetida auma mudana de temperatura para 42C. Sob estas condies, o repressor

    inativado, permitindo o incio da transcrio.

    Figura 57: Vetor de expresso constitudo pelo promotor pL.

    A figura ilustrao vetor de expresso pdeltablue, representando um dos

    vetores comerciais cuja transcrio se inicia no promotor pL (que est

    destacado, na figura, pelo boxe vermelho). Um dos pontos essenciais para

    obter nveis de expresso significativos da protena de interesse obter um alto

    nmero de transcritos. Este objetivo pode ser alcanado com o uso de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    19/54

    136Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    promotores fortes na construo de vetores de expresso, como discutido

    anteriormente. Apesar de diversas opes de promotores estarem disponveis,

    o aprimoramento do processo de transcrio somente no garante alcanar

    este objetivo. Outra opo consiste em clonar em tandem cpias mltiplas da

    sequncia de interesse no vetor de expresso.

    A desvantagem desta escolha est nas dificuldades tcnicas de

    clonagem das sequncias, uma seguida da outra. Os procedimentos

    envolvidos dificultam obter uma construo contendo a orientao correta para

    a transcrio e traduo de todas as sequncias clonadas. Outra desvantagem

    a instabilidade em nvel de DNA que estas construes podem apresentar.Por isso, durante a multiplicao da cultura celular, algumas ou todas as cpias

    so eliminadas do plasmdeo.

    Outra opo para aumentar os nveis de transcritos consiste em

    aumentar o nmero de cpias do vetor utilizado. Contudo, isto representa uma

    carga metablica significativa para a clula. Alm da replicao do vetor, h um

    gasto energtico com a transcrio e com a replicao de todos os genes

    presentes no plasmdeo. Com isso, algumas clulas tendem a expulsar o vetor,permitindo um crescimento celular acelerado se comparadas ao obtido pela

    clula portadora do plasmdeo.

    Este fato resulta em uma cultura onde haver o predomnio de clulas

    que no contenham o vetor recombinante aps alguns ciclos de diviso celular.

    Sob o ponto de vista biotecnolgico, isto representa uma perda relevante, pois

    os nveis de expresso esto diretamente relacionados com a densidade

    celular que contm o vetor de expresso.Altos nveis de expresso ainda so responsveis pelo fenmeno de

    instabilidade do plasmdeo. Para a manuteno de clulas que o contenha,

    uma opo consiste em adicionar antibitico ou metablitos essenciais para a

    clula cultura, mantendo uma presso seletiva sobre as transformadas.

    Apesar de manter em cultura, preferencialmente, as clulas transformadas, o

    uso de drogas seletivas representa um alto custo para a indstria. Alm disso,

    h uma preocupao quanto segurana do consumo de produtos derivados

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    20/54

    137Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    deste tipo de cultura por humanos, uma vez que certos indivduos apresentam

    respostas alrgicas aps ingerir estas substncias.

    A instabilidade do plasmdeo e de algumas construes utilizadas nos

    vetores de expresso constituem um agravante para a perpetuao da

    tecnologia de expresso heterloga. Apesar de ser um mtodo bastante

    simples e prtico, suas desvantagens so a causa da busca de alternativas

    para solucionar este problema. Uma delas que vm sendo especulada a

    integrao da sequncia de interesse no cromossomo da clula hospedeira.

    4.3 Integrao do DNA no Cromossomo da Clula Hospedeira

    A integrao do material gentico, que possui a sequncia de

    interesse, ao DNA cromossomal da clula hospedeira uma estratgia que

    aumenta a estabilidade do DNA exgeno durante as divises celulares. O

    interesse nesta opo ainda apresenta uma vantagem extremamente relevante

    sob o ponto de vista tecnolgico: a liberao do consumo de micro-organismos

    geneticamente modificados.Este processo permite que as sequncias indesejadas dos vetores,

    como os genes que codificam antibiticos, sejam eliminadas do micro-

    organismo modificado. Desta maneira, o gene de interesse mantido durante

    as geraes na ausncia de agentes seletivos, facilitando a liberao deste

    produto ao consumo de humanos e prevenindo a contaminao ambiental.

    A insero de uma sequncia de interesse no DNA cromossomal da

    clula hospedeira deve ocorrer em um stio especfico de eleio. A sualocalizao deve considerar a proximidade a um promotor forte, o qual deve ser

    preferencialmente regulvel, e excluir aquelas regies gnicas que codifiquem

    produtos essenciais clula. Estas caractersticas asseguraro uma expresso

    eficiente sob condies normais de crescimento da clula hospedeira.

    O vetor onde a sequncia de interesse est clonada deve conter uma

    regio homloga sequncia de DNA do hospedeiro. Alguns autores sugerem

    que o tamanho desta homologia deva ser de aproximadamente 51

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    21/54

    138Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    nucleotdeos, assegurando a troca fsica entre as molculas de DNA. Este

    evento denominado recombinao. Este processo envolve certas etapas,

    como:

    I. Identificar a sequncia que ser interrompida no DNA

    cromossomal do hospedeiro, para a insero do gene de interesse;

    II. Isolar a sequncia homloga selecionada e clon-la em um vetor

    do tipo integrativo. A clonagem do stio de insero deve ocorrer nas regies

    flanqueadoras da sequncia de interesse a ser clonada;

    III. O vetor a ser utilizado com esta finalidade no deve ser do tipo

    replicativo na clula hospedeira;IV. Seleo dos clones que tiveram a sequncia de interesse

    integrada ao seu genoma.

    A insero do gene clonado catalisada por uma enzima do

    hospedeiro, sendo que somente a sequncia de interesse ou mesmo todo o

    plasmdeo pode ser inserido. No primeiro caso, diz-se que houve um duplo

    crossing-over. Este o evento ideal, pois evita que as sequncias indesejadas

    presentes no vetor, como as regies codificadoras de antibiticos, estejampresentes na nova linhagem recombinante.

    Um evento simples de recombinao, que permite a insero de todo o

    vetor, normalmente diferenciado do duplo crossing-over pela seleo por

    antibiticos. Apesar de ser indesejado, este tipo de seleo pode ser til para

    obter clones com duas ou mais cpias do gene de interesse. Esta estratgia foi

    utilizada em Bacillus subtilis para obter nveis de expresso mais elevados da

    protena

    -amilase. Neste caso, os transformantes originais foram crescidos napresena de altos nveis de cloranfenicol. Somente clulas que tiveram uma

    duplicao espontnea do inserto foram capazes de sobreviver sobre estas

    condies de seleo.

    Por mtodos imunolgicos, foram identificados clones que continham

    diferentes nmeros de cpias do gene da -amilase. Os nveis de expresso

    obtidos pelo clone que continha nove cpias da sequncia de interesse foram

    maiores que os obtidos quando o hospedeiro em questo foi transformado com

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    22/54

    139Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    um plasmdeo com nmero de 20 a 40 cpias por clula.

    A integrao de sequncias ao DNA cromossomal tambm possui

    desvantagens. Os principais argumentos contra a sua adoo se referem

    dificuldade de manipulao para a integrao do DNA, frente a uma simples

    transformao da clula hospedeira, e a reduo dos nveis de expresso

    quando somente uma cpia integrada. Mesmo diante de opes que

    permitam aumentar os nveis de transcritos e a estabilidade das clulas

    transformadas, isto no assegura uma quantidade significativa de protenas

    expressas. Outras caractersticas devem ser aperfeioadas, tais como a

    eficincia da traduo da sequncia de interesse.

    4.4 Eficincia de Traduo

    A eficincia com que um RNAm traduzido o diferencial para obter

    entre centenas/milhares de uma cadeia proteica ou entre algumas cpias

    somente. De fato, os nveis de transcritos obtidos de diferentes RNAm chega a

    ser bem diferente em clulas de procariotos. Uma explicao para a diferenana eficincia da traduo est nas bases moleculares, o stio de ligao do

    ribossomo (RBS). Esta sequncia, que contm o Shine Dalgarno, est ligada

    com a afinidade a qual o ribossomo tem pelo RNAm. Quanto maior essa

    relao, maiores so os nveis de transcritos.

    A relao direta entre a afinidade do ribossomo ao seu stio de ligao

    no RNAm e a eficincia da traduo utilizada no desenvolvimento de vetores

    de expresso (Fig. 58). Alm de permitir altos nveis da protena de interesse,esta estratgia permite o reconhecimento pela maquinaria celular de

    sequncias codificadoras tanto de procariotos como de eucariotos.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    23/54

    140Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 58: Incluso do stio de ligao ao ribossomo em vetores de expresso.

    A figura ilustra o vetor de expresso comercial pQE-100 (Qiagen),mostrando o acrscimo do RBS (destacado na figura pelo boxe vermelho). A

    maior eficincia da traduo est ligada a alguns requisitos que devem ser

    estabelecidos na construo do vetor de expresso. Em primeiro lugar, o stio

    de ligao ao ribossomo deve estar localizado a uma distncia precisa do

    cdon de incio. Os vetores de expresso foram construdos de forma a

    conterem o RBS, sendo que a distncia adotada em relao ao cdon de incio

    testada para estabelecer a que favorece a traduo.

    Apesar do stio de ligao do ribossomo ser fixo entre os vetores de

    expresso, vale ressaltar que em determinadas situaes preciso adaptar a

    distncia para cada gene. O segundo requisito que deve ser analisado para

    aumentar a eficincia da traduo a prpria estrutura do RNAm. A sequncia

    5 destes transcritos, regio que inclui o stio de ligao do ribossomo, no

    deve conter sequncias de nucleotdeos complementares entre si.

    A complementaridade dentro da cadeia permite a formao de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    24/54

    141Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    estruturas secundrias no RNAm, o que dificulta a ligao do ribossomo ao

    transcrito. Este tipo de problema deve ser analisado para cada sequncia em

    especfico. A eficincia da traduo ainda pode ser aumentada usando os

    cdons preferenciais de cada hospedeiro. Como descrito no mdulo I, os

    micro-organismos utilizam com maior frequncia alguns dos cdons que

    codificam um determinado aminocido. Esta caracterstica est relacionada

    com a disponibilidade dos RNAt que so mais transcritos por um determinado

    tipo de clula. A incompatibilidade entre os cdons apresentados na sequncia

    de um RNAm, transcrito a partir de uma sequncia heterloga, com aqueles

    frequentemente utilizados pela clula hospedeira diminuem a eficincia datraduo.

    Em outras palavras, os RNAt cujos anticdons reconhecem cdons,

    que so raramente utilizados pelo micro-organismo esto menos disponveis, o

    que dificulta a traduo da sequncia de interesse. Para solucionar esta

    questo, pode-se sintetizar quimicamente a sequncia de interesse, utilizando

    os cdons preferenciais do organismo que ser utilizado como hospedeiro.

    A sntese qumica de sequncias codificadoras, utilizando a estratgiade cdons preferenciais, tem sido adotada com sucesso por alguns grupos de

    pesquisa. Apesar disso, como discutido no mdulo II, o alto custo deste

    procedimento pode tornar esta alternativa invivel. Dentro deste contexto,

    foram desenvolvidas linhagens de E. coli em que o nmero de RNAt limitantes

    para algumas espcies foi aumentado.

    A linhagem RosettaTM(Novagen) um exemplo deste tipo de bactria

    modificada. Derivadas da linhagem BL21, a Rosetta

    TM

    uma E. colitransformada com plasmdeos que codificam os RNAt cujos anticdons

    reconhecem os cdons AGG, AGA, AUA, CUA, CCC e GGA frequentemente

    utilizados na expresso de genes eucariotos. Estas bactrias modificadas

    constituem exemplos de hospedeiros que proveem uma espcie de traduo

    universal de genes heterlogos.

    O aperfeioamento de estratgias que permitam aumentar a eficincia

    da traduo tem obtido sucesso para aumentar os nveis de expresso de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    25/54

    142Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    protenas de interesse. Complementando isto, outro aspecto que deve ser

    utilizado com o mesmo propsito a anlise das opes que permitam

    aumentar a estabilidade proteica.

    4.5 Estabilidade de Protenas

    A estabilidade das protenas um ponto chave para obter uma alta

    produo dos produtos desejados. A instabilidade das mesmas se deve,

    principalmente, degradao a que esto expostas. Este aspecto

    dependente de diferentes fatores, como: a espcie hospedeira, que est sendoutilizada para produzir as protenas recombinantes, e a prpria estrutura da

    macromolcula.

    4.5.1 Espcie Hospedeira

    A linhagem que est sendo utilizada para a expresso de protena

    recombinante afeta a estabilidade e a estrutura da macromolcula produzida.Este fato est diretamente relacionado com a presena e concentrao de

    proteases produzidas naturalmente pelas clulas hospedeiras.

    As proteases podem estar presentes tanto no meio intracelular como

    na membrana externa. Dentre elas, as mais estudadas so a protena Lon, e a

    OmpT. Linhagens deficientes para estas duas proteases j se encontram

    disponveis comercialmente, como as BL21 (DE3), BL21 (DE3) pLysS e a BL21

    (DE3) pLysE (Invitrogen). A ausncia destas duas proteases demonstrou que aexpresso nestas linhagens de bactrias modificadas apresenta uma reduo

    na degradao das protenas produzidas.

    O uso de bactrias deficientes em proteases demonstrou seu valor na

    expresso de protenas heterlogas e a reduo da degradao de

    macromolculas aumentou os nveis de produo. Outra estratgia para

    alcanar o mesmo objetivo a modificao da estrutura da protena.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    26/54

    143Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    4.5.2 Aumento da Estabilidade Proteica pela Modificao da sua Estrutura

    A estrutura das protenas uma caracterstica intrnseca que pode

    propiciar a degradao destas cadeias. Sequncias internas dentro das

    protenas esto envolvidas com o seu reconhecimento por enzimas

    proteolticas. Um exemplo a presena de sequncias internas ricas em

    prolina, cido glutmico, serina e treonina. Elas so genericamente conhecidas

    como sequncias PEST. Estes sinais so frequentemente flanqueados por

    grupos de aminocidos carregados positivamente. Alguns autores sugerem que

    a estabilidade da protena pode ser aumentada por manipulaes genticasque possibilitem a alterao destas regies.

    A meia-vida de muitas protenas citoslicas est relacionada com os

    resduos de aminocidos presentes na poro N-terminal. Alguns autores

    sugerem que estes resduos possibilitam uma rpida ubiquitinao, resultando

    na degradao das macromolculas pelo complexo do proteassoma. A

    presena dos aminocidos arginina, lisina, fenilalanina, leucina ou triptofano na

    regio N-terminal da cadeia proteica tem sido associada com uma meia-vidacurta das protenas.

    Por outro lado, a presena dos aminocidos cistena, alanina, serina,

    treonina, glicina, valina ou metionina na mesma regio relacionada com uma

    meia-vida longa. Nestes casos, as cadeias proteicas so mais resistentes ao

    ataque proteoltico. Por esta razo, estes aminocidos so denominados como

    estabilizadores. Uma comparao evolutiva interessante que um aminocido

    estabilizador, a metionina, adicionado poro N-terminal das protenasrecm-sintetizadas, o que suporta a ideia da importncia da relao entre a

    estrutura proteica e a sua estabilidade.

    A alterao da estrutura proteica para aumentar a sua estabilidade tem

    sido utilizada, demonstrando resultados promissores. Entretanto, esta opo

    algumas vezes no possvel, pois a modificao implica em mudana da

    sequncia da protena, resultando em perda de funo. Outra estratgia para

    evitar estes problemas o uso de protenas de fuso.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    27/54

    144Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    4.6 Protenas de Fuso

    A construo de uma protena de fuso significa estabelecer uma unio

    entre a sequncia do gene clonado com outra derivada de uma protena

    expressa de maneira estvel pela clula hospedeira. Esta combinao resulta

    em maiores nveis de expresso, pois h a proteo da sequncia de interesse

    da ao das proteases celulares. Alguns estudos compararam a degradao

    da protena quando a expresso feita a partir da sua sequncia somente ou

    da associao a uma protena de fuso. Os resultados demonstraram que aprotena fusionada mais resistente protelise.

    Protenas de fuso so construdas em nvel de DNA pela ligao da

    regio codificadora de dois genes diferentes. Para isto, normalmente se utiliza

    um vetor que j possui a sequncia de um gene da clula hospedeira e que

    permite que a outra de interesse seja inserida e ligada primeira. As duas

    sequncias devem ser clonadas de forma que a fase de leitura de ambas

    esteja correta.Diversos tipos de protenas de fuso podem ser utilizados. Um exemplo

    a fuso da protena alvo com o segmento na poro 5 terminal do gene

    ompF de E. coli, que codifica uma protena de membrana fusionada a uma

    poro do gene LacZ. Esta protena de fuso, alm de aumentar a estabilidade

    da protena, facilita a identificao da macromolcula expressa.

    O uso de protenas de fuso pode beneficiar o pesquisador de diversas

    maneiras. Assim como a protena LacZ, outras utilizadas com o mesmopropsito podem ter outras utilidades, como facilitar a purificao da protena

    recombinante. Isto se deve utilizao em colunas de purificao de

    substncias que apresentem afinidade protena de fuso. Este protocolo

    permite selecionar, dentro do extrato bruto de protenas, somente aquelas de

    interesse ao pesquisador.

    Diversos vetores de expresso permitem a opo pelo uso de

    protenas de fuso. A maioria dos fabricantes justifica seu uso como escrito no

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    28/54

    145Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    pargrafo anterior: para aumentar a estabilidade da protena e facilitar a sua

    purificao. Estas mesmas caractersticas podem ser obtidas pela escolha de

    uma estratgia diferente, a secreo de protenas.

    4.7 Aumento da Secreo de Protenas Recombinantes

    A secreo de protenas recombinantes uma caracterstica desejvel

    sob alguns aspectos biotecnolgicos. A secreo pode aumentar a estabilidade

    de determinadas protenas, como no caso da insulina. Experimentos

    demonstraram que a expresso desta protena em E. coli e a secreo noespao periplasmtico aumentaram em aproximadamente 10 vezes a

    estabilidade da protena se comparado ocorrida no citoplasma. Alm disso,

    protenas secretadas so mais fceis de purificar.

    A secreo de protenas um processo dependente de uma sequncia

    que se localiza na poro N-terminal da protena, o peptdeo sinal. Este permite

    o endereamento proteico para a membrana celular. Aps isso, a maquinaria

    de secreo capaz de reconhec-lo, clivando-o. O processo de secreofinaliza com a liberao da protena para o periplasma, no caso de bactrias

    gram-negativas, ou para o meio extracelular.

    Algumas sequncias podem ser manipuladas para permitir a sua

    secreo. Neste caso, a sequncia de interesse clonada em um vetor de

    expresso que contenha um peptdeo sinal. A maioria dos vetores de

    expresso apresenta duas verses, a que permite a expresso citoplasmtica e

    a que contm a sequncia de um peptdeo sinal, facilitando o endereamentoproteico. Apesar destas possibilidades j disponveis comercialmente, esta

    modificao no garante altos nveis de protenas secretadas. Alm disso, a

    secreo de protenas em bactrias Gram-negativas frequentemente

    direcionada para o espao periplasmtico e no para o meio extracelular.

    Uma alternativa para aumentar a eficincia da secreo de protenas

    para o meio extracelular consiste em optar por outras clulas hospedeiras,

    como as bactrias gram-positivas. Estas so os micro-organismos de escolha

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    29/54

    146Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    quando o experimento requer a secreo de protenas recombinantes, pois as

    macromolculas so liberadas diretamente no meio externo. Esta caracterstica

    diferencial entre organismos gram-negativos e gram-positivos se deve

    organizao da parede celular, os ltimos no possuem o espao

    periplasmtico. Portanto, vetores de expresso que contenham o peptdeo sinal

    permitem que a protena expressa, quando secretada de forma adequada, seja

    liberada diretamente no meio.

    Alm do uso de bactrias gram-positivas para a expresso de

    protenas que devam ser secretadas, certos organismos eucariotos so

    opes. Entre eles, h relatos de alta eficincia da secreo de protenas como uso de fungos filamentosos, como ser discutido mais adiante.

    A eficincia da secreo de protenas por micro-organismos gram-

    positivos questionada por alguns autores. Apesar desta caracterstica

    benfica apresentada, os nveis de expresso obtidos nestes micro-organismos

    deixam a desejar. Por isso, geralmente os pesquisadores optam por expressar

    protenas na E. coli. Considerando este aspecto, a tecnologia do DNA

    recombinante est sendo utilizada na manipulao das caractersticas dasequncia que permitam o endereamento proteico.

    Alm do peptdeo sinal, foi observado um mecanismo interessante em

    algumas bactrias gram-negativas envolvido com a secreo da protena

    bacteriocina. Uma cascata de eventos coordenados resulta na ativao da

    fosfolipase, presente na membrana interna da bactria. Esta protena age de

    forma a permeabilizar a membrana interna e externa da bactria. Neste

    momento, algumas protenas presentes no citoplasma e no espaoperiplasmtico so liberadas para o meio.

    A partir da elucidao dos mecanismos envolvidos com a secreo da

    bacteriocina, a biotecnologia desenvolveu uma estratgia para aumentar a

    secreo de protenas expressas ao meio extracelular. A bactria deve ser

    transformada com dois plasmdeos, cuja expresso esteja sob o controle das

    mesmas sequncias reguladoras. Um dos vetores conter a sequncia do gene

    da protena responsvel por ativar a fosfolipase D; o outro ter a sequncia de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    30/54

    147Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    interesse fusionada a um peptdeo sinal. Assim, a induo da expresso ativar

    a transcrio dos dois genes, sendo que a protena que libera a bacteriocina

    induzir a permeabilizao da membrana, e a protena de interesse ser ento

    secretada para o meio.

    Os sistemas de expresso procariotos so largamente utilizados para a

    produo de diferentes tipos proteicos, at mesmo de protenas eucariotas.

    Nestes casos, frequentemente se utiliza o cDNA como sequncia codificadora

    a ser clonada no vetor de expresso. Apesar de que em alguns casos esta

    estratgia ser utilizada com sucesso, algumas protenas eucariotas so

    produzidas de maneira instvel ou no apresentam atividade biolgica.A funcionalidade de protenas eucariotas requer que a mesma

    apresente a maior identidade possvel sua apresentao original, tanto em

    nveis bioqumicos como biofsicos. A ausncia de atividade biolgica de

    protenas expressas em organismos procariotos pode ser devida expresso

    em uma conformao inadequada, principalmente, pela incapacidade destes

    sistemas em gerar determinadas modificaes ps-traducionais. Entre elas,

    pode-se citar:I. Formao de pontes dissulfeto. Esta reao dependente da

    atividade da enzima chamada isomerase dissulfeto. A ausncia desta

    modificao est relacionada com uma conformao proteica instvel e com

    a falta de atividade biolgica;

    II. Clivagem proteoltica do precursor da protena. Neste

    procedimento, determinados segmentos da sequncia de aminocidos so

    removidos para produzir uma protena funcional;III. Glicosilao, onde frequentemente so adicionados resduos de

    acar serina e treonina. Esta modificao est relacionada com a

    estabilidade e com propriedades diferenciais da protena;

    IV. Modificao de determinados aminocidos dentro da cadeia

    proteica, como a acetilao e a fosforilao.

    Dentre as modificaes da cadeia proteica que exibem menor

    probabilidade de realizao por organismos procariotos so a glicosilao e a

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    31/54

    148Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    modificao de aminocidos da cadeia proteica. A questo conformacional de

    protenas expressas em organismos procariotos no o nico problema na

    expresso de protenas eucariotas em sistemas procariotos. Outro ponto crtico

    na obteno de produtos expressos nestes micro-organismos se refere

    presena de contaminantes txicos para humanos, resultando em efeitos

    colaterais indesejveis. Para solucionar estes problemas, pesquisadores tm

    desenvolvido sistema de expresso eucarioto para a expresso de protenas

    teraputicas para humanos e animais.

    4.8 Expresso em Sistemas Eucariotos

    Sistemas de expresso eucariotos so muito similares aos de

    procariotos. Eles so constitudos por vetores de clonagem que contm os

    elementos genticos que permitem a expresso do gene de interesse em

    clulas eucariotas. Logo, estes vetores so constitudos por:

    I. Uma sequncia que permita a seleo do transformante em

    clulas eucariotas;II. Sequncias que permitam uma eficiente transcrio de genes

    eucariotos, como um promotor eucarioto,

    III. Sequncia de poliadenilao, permitindo a adio da cauda poliA

    ao RNAm.

    Um exemplo de vetor de expresso eucarioto est representado na Fig.

    59. O pVAX um vetor que possui todos os elementos genticos para a

    expresso gnica em clulas de mamferos. um vetor muito utilizado nodesenvolvimento de vacinas de DNA.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    32/54

    149Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 59: Mapa do vetor pVAX (Invitrogen).

    Este vetor possui todos os elementos genticos necessrios para a

    expresso gnica em clulas de mamferos, como o promotor do

    citomegalovrus humano (CMV), que permite altos nveis de expresso; o sinal

    de poliadenilao derivado da sequncia codificadora do hormnio bovino

    (BGH), que confere maior eficincia na terminao da transcrio e da

    poliadenilao do RNAm. Alm disso, o vetor foi construdo de acordo com as

    normas do Food and Drug Administration (FDA), contendo somente as

    sequncias necessrias replicao em E. coli ou para a expresso em

    clulas de mamferos. (Fonte: Coelho, 2007).

    Assim como discutido para os organismos procariotos, outras

    sequncias importantes tambm podem ser adicionadas ao vetor de expresso

    eucarioto, dependendo dos objetivos. No caso de o vetor ser um plasmdeo, o

    qual se replicar de maneira independente aos cromossomos, este deve conter

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    33/54

    150Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    uma origem de replicao eucariota. Contudo, como a manipulao deste tipo

    de clulas um processo mais complicado, geralmente os procedimentos se

    realizam inicialmente em clulas procariotas, para depois prosseguirem em

    eucariotas.

    Para isso, frequentemente se utilizam plasmdeos que possuam duas

    origens de replicao: uma procariota e outra eucariota. Estes vetores so

    conhecidos como shuttle. Alm da origem de replicao, estes plasmdeos

    so construdos contendo dois genes que permitam a seleo das clulas

    transfectadas com o vetor recombinante.

    Assim como a origem de replicao, uma das sequncias estrelacionada com a seleo em clulas procariotas e, a outra, em clulas

    eucariotas. Estes vetores shuttle tm sido desenvolvidos para a expresso de

    protenas recombinantes em leveduras e para clulas de insetos e de

    mamferos.

    Uma alternativa expresso em plasmdeo consiste na integrao

    desta sequncia ao DNA cromossomal da clula hospedeira. Neste caso, o

    vetor deve conter um segmento de DNA homlogo a uma regio docromossomo do hospedeiro o stio de integrao cromossomal para permitir

    o processo de recombinao homloga.

    Apesar do desenvolvido e aperfeioamento de vetores de expresso

    eucarioto, no h um sistema que atenda todas as modificaes proteicas de

    interesse. Por isso, devem-se analisar as caractersticas da protena de

    interesse e, a partir disso, examinar diferentes sistemas de expresso e tipos

    celulares a serem utilizados na produo da protena de interesse.

    4.8.1 Sistemas de Expresso Eucariotos

    Diversos tipos de organismos so utilizados como clulas hospedeiras

    para a expresso de protenas eucariotas, como as leveduras, as clulas de

    insetos e as clulas de mamferos. As leveduras compartilham muitas

    caractersticas bioqumicas, genticas e moleculares com outros organismos

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    34/54

    151Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    eucariotos. Este fato propicia um ambiente intracelular favorvel s

    modificaes de protenas, necessrias para que estas apresentem atividade

    biolgica. Alm disso, muitas leveduras contm uma via de secreo e de

    sinalizao idnticas s presentes em clulas de mamferos, possibilitando

    ento a expresso de protenas tanto intracelularmente como na forma

    secretada.

    As vantagens do uso de leveduras ainda incluem as caractersticas de

    manuteno da cultura, como a relativa simplicidade e facilidade na

    manipulao, rapidez de crescimento, atingindo uma alta densidade celular e o

    baixo custo de manuteno. Estas so as mesmas caractersticas quefavorecem a escolha de E. coli como sistema procarioto para a expresso de

    protenas. Outro fator relevante para a eleio da expresso em leveduras a

    segurana do sistema, que livre de endotoxinas e de oncogenes.

    Outro aspecto vantajoso do uso de leveduras se baseia no fato de que

    algumas delas j possuem o genoma completamente sequenciado. Isto facilita

    as manipulaes genticas, propiciando o aprimoramento dos vetores de

    expresso. Este fato permitiu, por exemplo, o isolamento e a caracterizao depromotores fortes que permitem atingir altos nveis de expresso da protena

    de interesse. Isto facilitou a produo de protenas em larga escala e em menor

    custo, se comparado aos nveis obtidos com a expresso em clulas de

    mamferos.

    Os vetores de expresso desenvolvidos apresentam elementos

    genticos especficos que permitem uma maior produo de acordo com a

    levedura que est sendo utilizada como clula hospedeira. Entretanto, umacaracterstica em comum que facilitou a transformao das leveduras com o

    vetor de expresso foi o uso de vetores shuttle. A ligao do inserto a este

    vetor produzida in vitroe ento utilizada para transformar primeiramente E.

    coli.

    Este procedimento utilizado, pois a manipulao desta bactria um

    processo mais simples e que permite a construo de uma gama maior de

    estruturas a serem utilizadas na expresso. Alm disso, este procedimento

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    35/54

    152Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    facilita a seleo da construo correta; depois da confirmao, parte-se para a

    transformao da levedura com o vetor recombinante correto. As vantagens da

    utilizao de leveduras na expresso de protenas recombinantes

    impulsionaram muitas pesquisas no assunto. Um exemplo a utilizao da

    tecnologia do DNA recombinante por grupos de pesquisa da Universidade de

    Braslia e da USP para desenvolver linhagens de leveduras capazes de utilizar

    o amido.

    Estes novos organismos foram modificados e contm genes de

    amilases para o processamento do amido presente na mandioca e na batata

    doce, o que est sendo testado na produo de etanol. Diversos tipos deleveduras tm sido testados quanto ao seu potencial na expresso de

    protenas recombinantes. Entre elas, uma das mais utilizadas a

    Saccharomyces cerevisiae.

    4.8.1.1 Expresso em Saccharomyces Cerevisiae

    S. cerevisiae uma levedura constituda por uma nica clula, a qualpode se apresentar de forma esfrica ou oval (Fig. 60A). A multiplicao destas

    clulas d um aspecto em gar semelhante a uma bactria (Fig. 60B).

    A B

    Figura 60: (A) Clulas de S. cerevisiae e (B) colnias da mesma Levedura.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    36/54

    153Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    S. cerevisiae foi um dos primeiros organismos de eleio para a

    expresso de protenas eucariotas. Muitos fatores contribuem para esta

    escolha:

    I. uma levedura cujas condies fisiolgicas so bem conhecidas;

    II. Seu genoma j foi totalmente sequenciado;

    III. Cresce facilmente tanto a nvel laboratorial como em escala

    industrial;

    IV. Diversas sequncias promotoras fortes j foram isoladas e

    caracterizadas;V. Foram isolados plasmdeos naturais de S. cerevisiae, os quais

    podem ser utilizados na construo de vetores de expresso;

    VI. S. cerevisiae capaz de realizar diversas modificaes ps-

    traducionais;

    VII. capaz de secretar protenas para o meio, caracterstica utilizada

    pela engenharia gentica para facilitar o processo de purificao;

    VIII. Este organismo considerado como seguro. Isto explica porqueele tem sido muito utilizado na indstria para a produo de diversos bens com

    fins teraputicos para humanos, sem ter que passar por experimentaes que

    comprovem o seu uso.

    Algumas protenas produzidas por S. cerevisiae esto sendo testadas

    em fins diagnsticos ou teraputicos; outras j esto disponveis

    comercialmente como antgenos vacinais. Os estudos de gentica molecular

    com S. cerevisiae se aprofundaram no final da dcada de 70, quando estalevedura foi ento sequenciada. A partir disso, vrios tipos de vetores de

    expresso foram desenvolvidos.

    4.8.1.1.2 Vetores de Expresso de s. Cerevisiae

    H trs classes de vetores utilizados na expresso de protenas

    recombinantes por S. cerevisiae:

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    37/54

    154Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    I. Plasmdeo

    II. Vetores de integrao

    III. Cromossomo artificial de levedura

    Os plasmdeos foram testados com sucesso para a expresso de

    protenas, tanto na forma extracelular como na intracelular. Contudo, sua

    desvantagem a instabilidade que esta construo apresenta sob grandes

    escalas de produo, como acima de 10 litros. Alm disso, os nveis de

    expresso obtidos ainda so considerados baixos. Alguns pesquisadores

    tentaram clonar a sequncia codificadora em tandem, com vrias cpias.Contudo, esta construo instvel. Tentativas para aumentar os nveis de

    expresso consistem em estudos de crescimento da levedura, visando

    reconhecer as condies mais adequadas que aumentem a estabilidade do

    plasmdeo.

    A vantagem de utilizar vetores de integrao em relao aos

    plasmdeos que aps a integrao da sequncia de interesse no genoma do

    hospedeiro, ela apresentar maior estabilidade. Contudo, as desvantagensincluem a complexidade do processo, e somente uma cpia inserida, o que

    resulta em baixos nveis de expresso.

    Assim como os vetores de integrao, os cromossomos artificiais de

    levedura apresentam como principal vantagem a estabilidade da construo

    recombinante. Contudo, esta estratgia no tem sido utilizada comercialmente

    para a expresso de protenas recombinantes, mas para outras opes como a

    formao de bibliotecas genmicas de DNA de cromossomos humanosindividualmente.

    4.8.1.1.3 Expresso Direta em S. Cerevisiae

    A expresso direta um termo utilizado para descrever vetores que

    permitem o acmulo de protenas no citoplasma aps a sua expresso. Muitos

    grupos de pesquisa tm dedicado uma ateno especial a este tipo de vetor de

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    38/54

    155Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    expresso, os quais possuem estruturalmente a mesma caracterstica bsica.

    Um exemplo destes vetores inclui um vetor shuttle, com uma origem de

    replicao de E. coli e outro para a levedura. O plasmdeo possui um marcador

    de seleo derivado do gene de ampicilina, um gene que codifica a sntese de

    leucina (leu2) e um stio para a clonagem de cDNA (pois, clulas de levedura

    no so eficientes na remoo de introns, e, por isso, deve-se usar cDNA ou

    insertos sintetizados quimicamente).

    O stio de clonagem do inserto flanqueado pelo promotor do gene da

    dehidrogenase gliceraldedo fosfato (GAPD), que apresenta expresso

    constitutiva, e pela sequncia contento os sinais de terminao da transcrio ede poliadenilao do RNAm do mesmo gene. Este vetor recombinante

    utilizado na transformao de uma linhagem de levedura defectiva para leucina

    (leu2-). Em seguida, a cultura plaqueada em um meio onde falta a leucina.

    Este permite ento a seleo dos transformantes, os quais estaro

    expressando este aminocido. Esta estratgia foi utilizada com sucesso na

    expresso da protena superoxidismutase de humanos.

    A primeira iniciativa para a expresso dela foi em E. coli. Contudo, aexpresso neste sistema no produziu a acetilao da cadeia proteica, como

    ocorre com a protena de humanos. Assim, a tentativa seguinte foi a expresso

    em S. cerevisiae. Neste experimento, altos nveis de expresso proteica da

    superoxidismutase foram obtidos, sendo que a mesma apresentava-se

    acetilada, assim como a protena isolada de humanos. Portanto, este exemplo

    ilustra a eficcia da expresso de protenas eucariotas em S. cerevisiae.

    O sistema de expresso de protenas recombinantes deve serdinmico, permitindo ao pesquisador testar diferentes estratgias de clonagem

    e expresso. Diferentes vetores que proporcionam meios eficazes de

    expresso em S. cerevisiae foram construdos. Alm de alcanar altos nveis

    de produo de protena eucariotas em uma conformao adequada, os

    vetores ainda oferecem opes ao pesquisador, como o endereamento

    proteico. Sobre este aspecto, um dos mais visados em processos

    biotecnolgicos a possibilidade de produzir protenas e secret-las ao meio

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    39/54

    156Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    externo.

    4.8.1.1.4 Secreo de Protenas Heterlogas por S. Cerevisiae

    A secreo de protenas heterlogas por S. cerevisiae exerce um papel

    chave nas modificaes ps-traducionais, como a glicosilao. Somente as

    protenas secretadas por esta levedura recebem a adio de acares cadeia

    proteica. A construo de vetores de expresso que permitam a secreo de

    protenas recombinantes muito similar ao protocolo utilizado em procariotos.

    Com este propsito, um peptdeo sinal clonado a jusante da sequnciacodificadora. Esta sequncia sinal reconhecida pela maquinaria de secreo

    de S. cerevisiae, permitindo que a protena assim expressa seja eficientemente

    secretada.

    Durante o processo compreendido entre a traduo e a secreo da

    protena de interesse, estas macromolculas sofrem algumas modificaes

    ps-traducionais, como a formao de pontes dissulfeto e a clivagem

    proteoltica. Ao chegar membrana celular, o peptdeo sinal permite que aprotena passe atravs dela. Em seguida, o peptdeo sinal reconhecido e

    removido da protena recombinante por uma endoprotease que reconhece o

    dipeptdeo Lys-Arg.

    Esta sequncia posicionada imediatamente antes da sequncia

    codificadora da protena de interesse. Assim, a protena exibir a sequncia de

    aminocidos correta na sua poro N-terminal. A liberao da protena para o

    meio se completa aps a clivagem do peptdeo sinal.A utilizao primordial de vetores que permita a secreo de protenas

    expressas em S. cerevisiae a glicosilao de protenas eucariotas.

    Entretanto, outros proveitos de interesse biotecnolgico podem ser obtidos com

    esta estratgia. Assim como a escolha destes vetores para organismos

    procariotos, a secreo das protenas expressas facilita a purificao de

    protenas recombinantes. Portanto, o uso de vetores de expresso de S.

    cerevisiae contendo a sequncia do peptdeo sinal tem como vantagem a

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    40/54

    157Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    induo de modificaes ps-traducionais e purificao facilitada das protenas

    expressas neste hospedeiro.

    Muitas protenas tm sido expressas com sucesso em S. cerevisiae,

    como o antgeno de superfcie do vrus da Hepatite B. Contudo, a expresso

    nesta levedura tambm apresenta desvantagens, como os baixos nveis de

    expresso obtidos para algumas protenas. Outros problemas relatados

    incluem:

    I. A perda de plasmdeos no decorrer de geraes em produes de

    larga escala;

    II. A hiperglicosilao de protenas heterlogas. Neste caso,observa-se que os resduos de manose receberam cerca de 100 resduos de

    acar, sendo que o normal varia de 8 a 13. Estas unidades extras podem

    alterar a atividade biolgica ou mesmo mudar a imunogenicidade da protena;

    III. Em alguns casos, observou-se que protenas secretadas ficam

    presas no espao periplasmtico, o que prejudica a purificao de protenas.

    Frente a estas desvantagens apresentadas pelo sistema de expresso

    em S. cerevisiae, pesquisadores estudaram mtodos para aperfeioar aexpresso de protenas. Para isso, tem-se estudado alternativas, como a

    construo de novos vetores de expresso, alm da possibilidade de utilizar

    diferentes hospedeiros.

    A escolha de novas leveduras como sistema de expresso depende da

    apresentao de algumas caractersticas desejadas para a expresso de

    protenas. Dentre elas, incluem-se:

    I. A disponibilidade de vetores apropriados;II. Sistemas de expresso com sequncias reguladoras apropriadas

    para cada hospedeiro em especfico;

    III. A habilidade de transformar os diferentes hospedeiros com os

    vetores de interesse;

    IV. Obteno de altos nveis de expresso;

    V. Habilidade do organismo hospedeiro em crescer sob condies

    industriais.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    41/54

    158Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Candidatos de leveduras para a expresso de protenas heterlogas

    incluem Pichia pastoris e Schizosaccharomyces pombe. Estas leveduras so

    denominadas convencionais, pois so as mais utilizadas atualmente com

    propsitos biotecnolgicos. Outras no convencionais incluem:

    Kluyveromyces lactis, que foi utilizado comercialmente para a produo da -

    galactosidase; Yarrowia lipolytica; Hansenula polymorpha; Arxula

    adeninivorans.

    Dentre as duas opes de leveduras convencionais, grupos de

    pesquisa tm relatado sucesso obtido aps a expresso de protenas na

    levedura Pichia pastoris. Por isso, grande ateno e investimentos tm sidodirecionados para esta levedura, visando seu aperfeioamento como sistema

    de expresso.

    4.8.1.2 Pichia Pastoris

    Pichia pastoris uma levedura metilotrfica, o que significa que ela

    capaz de crescer em meio de cultura contendo metanol como nica fonte decarbono. Historicamente, o que chamou a ateno quanto a esta levedura

    que a mesma cresce facilmente em meio de cultura barato sob produes a

    nvel industrial.

    Outros aspectos, alm dos baixos custos de manuteno da cultura de

    Pichia pastoris, so vantajosos para a utilizao desta levedura para processos

    biotecnolgicos. A sua cultura no apresenta um alto nvel de fermentao.

    Este processo resulta na gerao de etanol, um componente que em culturasde alta densidade celular pode atingir nveis txicos. A toxicidade desta

    substncia inviabiliza o crescimento da cultura de leveduras.

    Por apresentar baixos nveis de fermentao, isto constitui uma

    vantagem do uso de Pichia pastoris como hospedeiro para a expresso de

    protenas em comparao a S. cerevisiae, pois a cultura de Pichia pastoris

    pode alcanar altas densidades celulares. H relatos de que o crescimento em

    peso seco obtido pode atingir cerca de 100g/L, ou mesmo, quantidades

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    42/54

    159Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    maiores. Considerando todas as vantagens descritas e o fato de que a

    densidade celular est diretamente relacionada com a quantidade de protenas

    produzidas, ideias surgiram com a finalidade de transformar Pichia pastoris

    como um sistema de produo de protenas recombinantes.

    Um dos experimentos iniciais com a levedura para a expresso de

    protenas de interesse comercial foi a tentativa de expressar, em altos nveis, o

    antgeno de superfcie do vrus da hepatite B. Para isso, foi desenvolvido um

    sistema de expresso do tipo integrativo, que continha a sequncia promotora

    e a terminadora derivadas do gene da enzima lcool oxidase.

    Atualmente, esta uma das caractersticas que tornam esta leveduracomo uma hospedeira atraente para a expresso de protenas heterlogas,

    pois este vetor permite obter altos nveis de expresso proteica. O vetor de

    expresso constitudo do promotor, da sequncia terminadora e do sinal de

    poliadenilao derivados do gene que codifica a enzima lcool oxidase. O

    plasmdeo um vetor shuttle, contendo uma origem de replicao para Pichia

    pastoris e outra para E. coli.

    Alm disso, o vetor contm a sequncia codificadora da ampicilina, oque permite a seleo dos plasmdeos recombinantes em E. coli. Outro gene

    encontrado no plasmdeo o codificador da enzima histidiol desidrogenase

    (his4). Esta marca permite a seleo de transformantes prototrficos His+

    quando os vetores so transformados em uma linhagem de Pichia pastoris

    deficiente para a expresso deste gene, as his4. Portanto, somente as clulas

    transformadas sero hbeis para crescer em meio deficiente em histidina. O

    mapa do vetor est demonstrado na Fig. 61.

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    43/54

    160Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 61: Mapa do Vetor pPICZ para a expresso em Pichia pastoris (Invitrogen).

    Os vetores de expresso utilizados em Pichia pastoris geralmente so

    integrativos. O objetivo permitir que a sequncia de interesse, clonada entre a

    regio promotora e terminadora, se integre ao genoma do hospedeiro, a fim de

    evitar problemas de instabilidade do plasmdeo. Estes vetores possuem em sua

    estrutura sequncias de DNA homlogas s do DNA do cromossomo da

    levedura nas regies proximais do gene histidiol desidrogenase, o que tem por

    finalidade facilitar a integrao do material gentico transformado por

    recombinao homloga.

    O processo de recombinao homloga est envolvido com dois fatos

    interessantes. O primeiro que a sua concluso ocorre com a troca do gene

    AOX1 pela sequncia de interesse. Isto permite uma segunda forma de

    seleo dos transformantes. H um segundo gene funcional presente no

    cromossomo da clula hospedeira, o AOX2. Este gene, apesar de funcional,

    menos efetivo, resultando em um crescimento lento da levedura na presena

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    44/54

    161Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    de metanol. Outro ponto a considerar que vrias cpias podem ser integradas

    ao genoma, o que est relacionado com os nveis de expresso.

    O promotor AOX1 regulado transcricionalmente pelo substrato

    metanol. O uso deste indutor vantajoso sob o ponto de vista econmico, pois

    seu custo considerado como relativamente barato. A regulao da

    transcrio, a partir deste promotor, tambm ocorre pela presena de glicose

    na cultura. A ativao de AOX1 e, portanto, o incio da transcrio somente se

    inicia na ausncia completa de glicose.

    Aps a induo da expresso com o metanol so obtidos altos nveis

    de expresso, equivalentes queles obtidos por genes altamente expressos eque esto sob o controle dos promotores envolvidos com a via glicoltica. Na

    presena de metanol observa-se que os nveis de expresso da enzima lcool

    oxidase representam cerca de 30% da protena celular total de Pichia pastoris,

    o que confirma os altos nveis de expresso obtidos a partir deste promotor.

    Alm disso, esta sequncia promotora fortemente regulada, sendo

    reprimida em condies de crescimento com a ausncia de metanol. Assim,

    por a transcrio ser fortemente regulada, a expresso da protena de interesse acionada e desligada em tempos determinados. Esta caracterstica impede a

    expresso por perodos inapropriados de protenas txicas cultura celular e

    dificulta a proliferao, na cultura de leveduras, daquelas que no expressem o

    gene de interesse.

    As protenas expressas por este sistema podem ser apresentadas

    tanto como intracelulares como sendo secretadas. Esta caracterstica depende

    da adio ao vetor de expresso de um peptdeo sinal que permita oendereamento proteico. Nestes casos, frequentemente utilizado o peptdeo

    sinal derivado de S. cerevisiae (Fig. 62).

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    45/54

    162Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    Figura 62: Mapa do vetor pMET (Invitrogen).

    A figura ilustra as duas verses de vetores disponveis comercialmente,

    uma para a expresso citoplasmtica e outra para a secretada. Neste ltimo

    caso, o vetor construdo com a adio do peptdeo sinal derivado de S.

    cerevisiae, o fator alfa. A secreo de protenas recombinantes est

    relacionada com uma caracterstica essencial da estrutura da protena

    expressa, a glicosilao. Assim como ocorre em S. cerevisiae, a glicosilao de

    protenas somente ocorre com aquelas que so secretadas.

    Os tamanhos das cadeias de carboidratos adicionados por Pichia

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    46/54

    163Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    pastoris so menores que os observados em S. cerevisiae. Portanto, a

    glicosilao em Pichia pastoris outra vantagem sobre a expresso em S.

    cerevisiae, pois neste ltimo h a hiperglicosilao que altera a atividade das

    protenas. O uso desta levedura como vetor de expresso tem se tornado

    popular, sendo relatada a expresso de mais de 200 protenas de vrus,

    bactrias, fungos, animais, plantas e de humanos. Contudo, a expresso em

    Pichia pastoris tambm apresenta algumas desvantagens. Uma delas est

    relacionada aos vetores de expresso disponveis.

    Embora muito utilizados, os vetores de expresso apresentam como

    desvantagem o grande tamanho que varia em torno de 8kb. Outradesvantagem dos mesmos consiste no fato de possurem poucos stios de

    restrio que permitam a clonagem do gene heterlogo. H vetores de

    expresso alternativos, que so plasmdeos menores. Um exemplo uma

    famlia de vetores que apresenta como mecanismo de seleo dos

    transformantes o gene sh ble, conferindo resistncia droga zeomicina. Apesar

    de esta seleo ser eficiente tanto em E. coli como em Pichia pastoris, a droga

    apresenta um custo elevado, o que inviabiliza a sua utilizao.Outro vetor desenvolvido consiste em um plasmdeo cuja expresso

    est sob o controle do promotor gap. Esta sequncia derivada do gene

    gliceraldedo-3-fosfato desidrogenase e apresenta uma forte expresso

    constitutiva. A expresso obtida a partir deste promotor em culturas crescidas

    em glicose apresenta nveis de expresso comparveis queles obtidos com o

    promotor AOX1 em culturas crescidas em metanol.

    A vantagem do promotor gapconsiste em no ser necessria a trocado meio de cultura antes de induzir a expresso do gene de interesse. A

    desvantagem da sua utilizao consiste no fato de que a expresso constitutiva

    no desejvel para a expresso de genes deletrios para a clula. Alm

    disso, o gasto celular para este tipo de expresso significante para a cultura

    se comparada obtida por um promotor regulvel, como o AOX1. Outra

    desvantagem da expresso em Pichia pastoris consiste em baixos nveis de

    expresso obtidos para algumas protenas. A soluo para este problema est

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    47/54

    164Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    em aprimorar novos vetores de expresso. Contudo, assim como em outros

    organismos eucariotos, a regulao da expresso complicada, o que exige

    tempo para desenvolver estratgias eficazes.

    O aumento dos nveis de expresso foi verificado em linhagens que

    continham trs cpias integradas ao genoma. A deteco destes clones se d

    por mtodos imunolgicos. Neste caso, necessria a disponibilidade de

    anticorpos especficos para a protena heterloga. O mtodo permitiu a

    identificao de clones que expressam a protena de interesse em diferentes

    nveis.

    A glicosilao efetuada por Pichia pastoris nem sempre se d com aconformao adequada. Apesar de ser similar que ocorre em mamferos,

    esta levedura no capaz de adicionar manoses terminais com ligaes -1,3,

    como em S. cerevisiae, o que faz com que as protenas expressas em Pichia

    pastoris sejam menos imunognicas que as expressas em S. cerevisiae.

    Ainda, assim como em S. cerevisiae, outro problema relacionado com a

    glicosilao que ocorre em algumas protenas expressas em Pichia pastoris a

    hiperglicosilao. Apesar de algumas protenas receberem cadeias curtas deoligossacardeos, no se conhece um fenmeno capaz de explicar os

    diferentes padres de glicosilao apresentados pela Pichia pastoris.

    As leveduras apresentam vantagens significativas que justificam seu

    uso na expresso de protenas eucariotas, como os altos nveis de expresso a

    baixo custo, alm de sua capacidade de realizar modificaes ps-traducionais.

    Quanto a esta ltima caracterstica, ela pode ser considerada um paradoxo.

    Apesar de ser uma vantagem, estas modificaes tambm so pontos dedesvantagem da expresso em leveduras.

    A explicao para esta ambiguidade de afirmaes est ligada ao fato

    da falta de identidade destas modificaes ps-traducionais que ocorrem entre

    a expresso em leveduras e em clulas de mamferos. A forma com que os

    oligossacardeos so adicionados cadeia proteica por leveduras difere

    estruturalmente da que ocorre em mamferos. Este ponto crtico na produo

    de protenas de interesse teraputico, pois a diferena estrutural pode afetar a

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    48/54

    165Este material deve ser utilizado apenas como parmetro de estudo deste Programa. Os crditos deste contedo so dados aos seus respectivos autores.

    atividade biolgica da macromolcula expressa.

    Alternativas promissoras vm sendo desenvolvidas com a finalidade de

    expressar protenas eucariotas de maneira a apresentar a maior identidade

    quelas expressas em clulas de mamferos. Entre elas, especula-se a

    possibilidade de produzir leveduras capazes de realizar a glicosilao de forma

    mais similar observada em humanos. Alm destas estratgias, outros tipos

    de hospedeiro tambm vm sendo testados, como os fungos filamentosos.

    4.8.1.3 Fungos Filamentosos

    Os fungos filamentosos so assim, como as leveduras, um sistema em

    teste que tem ganhado cada vez mais espao na biotecnologia para a

    expresso de protenas recombinantes. Entre os fungos utilizados com este

    propsito esto o Filamentous fungus, o qual exibe alta capacidade de

    secreo de protenas, e os fungos Aspergillus niger eAspergillus oryzae, que

    tm sido, h algum tempo, utilizados na produo de alimentos. Outros fungos,

    como o Metarhizium anisopliae, vm sendo testados quanto ao seu potencialno controle de insetos.

    O uso de fungos filamentosos apresenta propriedades que os tornam

    hospedeiros potenciais para a expresso de protenas eucariotas. Contudo,

    este sistema tambm apresenta desvantagens como o baixo nvel de

    expresso. Apesar de estudos na rea terem apontado alternativas potenciais

    para solucionar o problema, estes hospedeiros ainda apresentam como

    desvantagem a escassez de conhecimentos, o que dificulta a sua manipulaoe o desenvolvimento de ferramentas para a expresso de protenas. Enquanto

    isso, uma opo o uso de outros hospedeiros, como os baculovrus.

    4.8.1.4 Baculovrus

    A produo de protenas recombinantes por meio de baculovrus uma

    opo interessante para a expresso de protenas eucariotas. O uso deste

  • 7/25/2019 BIOTECNOLOGIA_03

    49/54

    166Este material deve ser u