L’enginyeria metabòlica és una estratègia molt útil per produir molècules d’alt valor afegit mitjançant microorganismes. Molècules d’interès per la seva funció biològica, d’estructura complexa i amb dificultats en la seva obtenció i síntesi s’han obtingut de forma molt satisfactòria mitjançant aquesta metodologia. En el laboratori de Bioquímica de l’IQS s‘estudia la glicosiltransferasa de Micoplasma genitalium codificada pel gen mg517 i responsable de la síntesi de glicoglicerolípids (Andrés et al., 2010). S’ha vist que aquesta proteïna sobreexpressada en E.coli és funcional i acumula diferents glicoglicerolípids en la membrana plasmàtica. Aquests glicoglicerolípids mostren diferents punts d’interès. D’una banda, són tensioactius d’alt valor afegit que permeten la construcció de niosomes per l’alliberament controlat de fàrmacs i, d’altra banda, s’han relacionat com agents terapèutics amb inhibició de tumors cancerígens. Degut al creixent interès d’aquests productes,en el present treball s‘ha escollit E. coli com a microorganisme a modificar per enginyeria metabòlica per la producció de glicoglicerolípids, ja que per una banda, no presenta aquests lípids però sí sintetitza els seus precursors UDP-glucosa i diacilglicerol (DAG). S’han dissenyat diferents soques d’E.coli on se sobreexpressen la glicosiltransferasa MG517 i, a més, la uridiltransferasa GalU procedent d’E.coli JM109, que sintetitza el precursor UDP-glucosa a partir de glucosa 1-fosfat, i l’aciltransferasa PlsC involucrada en la biosíntesi del precursor DAG. En les soques on les proteïnes GalU i PlsC s’han sobreexpressat, les seves activitats han augmentat 220 i 80 vegades, respectivament. La glicosiltransferasa MG517 és activa en totes les soques però, sorprenentment, la seva activitat després de les cinc hores d‘inducció és10 vegades inferior quan es dóna la coexpressió de MG517 i PlsC. S’observa que la sobreproducció de UDP-glucosa no incrementa la quantitat total de glicoglicerolípids mentre que el DAG sí, de manera que la soca AbC amb els gens mg517 i plsC és la que sintetitza més glicoglicerolípids, arribant a nivells de 1059 nM per biomassa. Dels tres glicoglicerolípids formats, el diglucosilacilglicerol és sempre el més abundant i el seu percentatge varia entre 57 i 82% en funció de la coexpressió dels enzims. La producció d’aquests nous lípids en la membrana d’E. coli implica que el percentatge del fosfolípid fosfatidiletanolamina disminueixi un 20%, mentre els fosfolípids anionis es mantenen constants. Es conclou que la soca modificada d’E. coli AbC és una bona plataforma per la producció de nous glicolípids amb diferent estructura. / La ingeniería metabólica es una estrategia muy útil para producir moléculas de valor añadido mediante microorganismos. Moléculas de interés por su función biológica, de estructura compleja y con dificultades en su obtención y síntesis se han obtenido de forma muy satisfactoria con el uso de esta metodología. En el laboratorio de Bioquímica del IQS se estudia la glicosiltransferasa de Micoplasma genitalium codificada por el gen mg517 y responsable de la síntesis de glicoglicerolípidos (Andrés et al. 2011). Se ha observado que esta proteína sobreexpresada en E.coli es funcional y acumula estos lípidos en la membrana plasmática. Los glicoglicerolípidos muestran diferentes puntos de interés. Por una parte, son tensioactivos que permiten la construcción de niosomas para la liberación controlada de fármacos y, por otra parte, se han seleccionado como agentes terapéuticos con inhibición de tumores cancerígenos. Debido al creciente interés de estos productos, en el presente trabajo, se ha escogido E.coli como microorganismo a modificar por ingeniería metabólica para la producción de glicoglicerolípidos, ya que no presenta estos lípidos pero sí sintetiza sus precursores UDP-glucosa y diacilglicerol (DAG). Se han diseñado diferentes cepas de E.coli donde se sobreexpressa la glicosiltransferasa MG517 y, además, la uridiltransferasa GalU de E.coli JM109, que sintetiza el precursor UDP-glucosa, y la aciltransferasa PlsC involucrada en la biosíntesis del precursor DAG. En las cepas donde las proteínas GalU y PlsC se han sobreexpressado, sus actividades han aumentado 220 y 80 veces, respectivamente. La glicosiltransferasa MG517 es activa en todas las cepas pero, sorprendentemente, su actividad después de inducir es 10 veces inferior cuando se da la coexpresión de MG517 y PlsC. Se observa que la sobreproducción de UDP-glucosa no incrementa la cantidad total de glicoglicerolípidos mientras que el DAG sí, de forma que la cepa AbC con los genes mg517 y plsC es la que sintetiza más glicoglicerolípidos, llegando a niveles de 1059 nM por biomasa. De los tres glicoglicerolípidos formados, el diglucosildiacilglicerol es siempre el más abundante y su porcentaje varía entre 57 y 82% en función de la coexpressión de las enzimas. La producción de los nuevos lípidos en la membrana de E.coli implica que el porcentaje del fosfolípido fosfatidiletanolamina disminuya un 20%, mientras los fosfolípidos aniónicos se mantienen contantes. Se concluye que la cepa modificada de E.coli AbC es una buena plataforma para la producción de nuevos glicolípidos con distinta estructura. / Metabolic engineering is a useful strategy to achieve target molecules using microorganisms. Molecules of high biological value, with complex estructure and difficulties to be obtained and synthesised, as for example, glycoconjugates, have been successfully obtained by this methodology (Ruffing i Chen, 2010). Our group studies the Mycoplasma genitalium glycosyltransferase encoded by mg517 gene and responsible of glycoglycerolipid synthesis. (Andrés et al., 2010). This protein overexpressed in E. coli is functional and accumulates the glycolipids in its plasma membrane. These glycoglycerolipids have different points of interest. On one hand, they are biosurfactants and evencan form niosomes for drug delivery systems. On the other hand, they have been related to inhibition of cancer tumors. Due to growing interest of these products, and in order to improve production of glycoglycerolipids, different metabolic engineered E. coli strains have been designed in this work. This microorganism has been chosen since on the one hand, it does not produce these lipids but its metabolism produces the glicoglicerolipids precursors, UDP-glucose and diacylglycerol (DAG). In these strains, the glycosyltransferase is coexpressed with genes related to biosynthesis of both precursors. Therefore coexpression of the glycosyltransferase MG517, the uridyl transferase GalU from E. coli JM109, which synthesizes the precursor Glc-UDP from glucose-1-phosphate, and the acyl transferase PlsC involved in the biosynthesis of the precursor DAG have been studied. Once modified strains were constructed, their phenotype have been analysed. On one hand, the three enzymatic activities have been determined in vitro from the cell extracts. When GalU and PlsC were overexpressed, their activities increased 220 and 80-fold, respectively, compared to the controls. The glycosyltransferase MG517 was active in these modified strains but, surprisingly, its activity decreases 10-fold when MG517 and PlsC were coexpressed. It is observed that overproduction of UDP-glucose does not increase total glycolipids amount while DAG have a positive impact on this production, being strain with mg517 and plsC genes which produces more glycolipids achieving 1059 nM per biomass. . Furthermore, the modified strains showed different glycoglycerolipids profiles. In all strains the disaccharide glycoglycerolipid is the most abundant but its percentage varies from 57% to 82% depending on enzyme coexpression. Production of these new lipids in E. coli membrane implies less synthesis of phosphatidylethanolamine phospholipid, which is characteristic of this microorganism. Our results show the modified E. coli strain with mg517 and plsC genes is a good platform microorganism for the production of new glicolipids with different structure.

Aquesta tesi se centra en l’estudi de les possibles glicosiltransferases de Micoplasma genitalium involucrades en la síntesi de glicolípids. Aquests compostos formen part de la membrana plasmàtica del microorganisme, únic envolcall que el protegeix del seu entorn ja que no disposa de paret cel•lular. La hipòtesi sobre la qual s’ha desenvolupat el treball és la possibilitat que aquests glicolípids i els enzims encarregats de la seva producció, les glicosiltransferases, siguin essencials per a la viabilitat del micoplasma i per tant, la seva inhibició sigui una forma d’eradicar les infeccions causades pel patògen. De les tres seqüències classificades com a glicosiltrasferases en el genoma de Mycoplasma genitalium, mg025, mg060 i mg517, s’ha determinat que mg025 és l’únic dels tres gens que no és essencial per al bacteri, tot i que s’ha observat que els tres s’expressen tant a la fase exponencial com a la fase estacionària del seu creixement. La funció de mg025 i mg060 és encara desconeguda, mentre que mg517 és la glicosiltransferasa encarregada de la síntesi dels dos principals glicolípids del micoplasma, el monoglicosildiacilglicerol (MGlcDG) i el diglicosildiacilglicerol (DGlcDG). En aquesta tesi s’ha desenvolupat un protocol d’expressió per a la glicosiltransferasa codificada per mg517, anomenada GT-MG517, el qual fa ús d’una coexpressió amb xaperones i solubilitza la proteïna amb detergents, glicerol i una elevada força iònica. Aquesta metodologia ha estat necessària ja que GT-MG517 és una proteïna associada a membrana i la seva expressió recombinant en E.coli presenta dificultats. La proteïna s’ha purificat mitjançant cromatografia d’afinitat per Ni, tot i que el grau de puresa assolit no ha estat suficient per a intentar la seva cristal•lització. Les diverses proves realitzades usant cromatografia d’exclusió molecular han permès determinar que GT-MG517 forma oligòmers d’alt pes molecular. A partir de la proteïna purificada s’ha realitzat un estudi cinètic de la seva doble activitat glicosildiacilglicerolsintasa. D’aquest estudi s’extreu que GT-MG517 pot transferir un sucre, Glc o Gal, a una molècula principalment hidrofòbica, com és el DOG, i a una molècula molt més hidrofílica, com el MGlcDG. Ambdós compostos però posseeixen un alcohol primari sobre el qual té lloc la transferència creant l’enllaç (16). Amb qualsevol dels substrats acceptors provats, l’enzim presenta activitats específiques superiors si el substrat donador és UDP-Gal. L’acceptor preferit de GT-MG517 és el lípid DOG, però la glicosiltransferasa és capaç d’elongar, ja sigui amb una Glc o amb una Gal, glicolípids com el MGlcDG i el MGDEG, preferint en aquest cas el compost amb una Gal a l’extrem no reductor. Tot i això, l’afinitat de l’enzim és superior per a donadors amb Glc (KM inferiors a les dels donadors amb Gal). D’altra banda, s’ha demostrat que el lípid aniònic DOPG es comporta com a activador de l’activitat enzimática. GT-MG517 posseeix un teòric domini d’unió d’UDP-Glc a l’extrem N-terminal. Aquesta zona presenta similitud de seqüència amb altres glicosiltransferases i permet la classificació de GT-MG517 dins de la família GT-2. En canvi, el seu extrem C-terminal presenta una seqüència particular que no s’alinea amb altres proteïnes. En aquesta tesi es formula la hipòtesi que aquesta zona podria ser d’interacció amb la membrana i, a més, que aquesta interacció podria regular l’activitat enzimàtica. Per això es preparen diverses formes truncades de GT-MG517, en les quals s’eliminen alguns aminoàcids de l’extrem C-terminal, i una forma en la qual només es conserva l’hipotètic domini d’unió d’UDP-Glc. Aquestes noves proteïnes s’expressen, solubilitzen i purifiquen aplicant el protocol establert per a la forma completa. Amb l’anàlisi dels glicolípids sintetitzats s’estableix que els deu últims aminoàcids de GT-MG517 són prescindibles per a la seva activitat, ja que les formes truncades corresponents continuen tenint la capacitat de sintetitzar glicolípids. No obstant, l’eliminació d’un nombre superior de residus, inactiva la proteïna. La purificació de l’hipotètic domini d’unió d’UDP-Glc posa de manifest que forma oligòmers, de la mateixa forma que ho fa la proteïna completa. / Esta tesis se centra en el estudio de las posibles glicosiltransferasas de Mycoplasma genitalium involucradas en la síntesis de glicolípidos. Estas moléculas constituyen parte de la membrana plasmática del miroorganismo, única estructura de protección frente al entorno ya que los micoplasmas carecen de pared celular. La hipótesis sobre la cual se ha desarrollado el trabajo es la posibilidad que los mencionados glicolípidos y las enzimas encargadas de su producción, las glicosiltransferasas, sean esenciales para la viabilidad del micoplasma y, por tanto, su inhibición sea una forma de erradicar las infecciones causadas por el patógeno. De las tres secuencias clasificadas como glicosiltransferasas en el genoma de Mycoplasma genitalium, mg025, mg060 y mg517, se determinó que mg025 es el único de los tres genes que no es esencial para la bacteria, aunque se observó que los tres se expresan tanto en la fase exponencial como en la fase estacionaria de su crecimiento. Se desconoce todavía la función de mg025 y mg060. En cambio, se conoce que mg517 es la glicosiltransferasa responsable de la síntesis de los dos principales glicolípidos del micoplasma, el monoglicosildiacilglicerol (MGlcDG) y el diglicosildiacilglicerol (DGlcDG). En esta tesis se desarrolló un protocolo de expresión para la glicosiltransferasa codificada por mg517, llamada GT-MG517, el cual emplea una coexpresión con chaperonas y solubiliza la proteína con detergentes, glicerol y una fuerza iónica elevada. Dicha metodología fue necesaria ya que GT-MG517 es una proteína asociada a membrana y su expresión recombinante en E.coli presenta dificultades. La proteína se purificó mediante cromatografía de afinidad por Ni pero el grado de pureza obtenido no fue suficiente para intentar su cristalización. Distintas pruebas realizadas usando cromatografía d’exclusión molecular permitieron determinar que GT-MG517 forma oligómeros de alto peso molecular. Con la proteína purificada se realizó un estudio cinético de su doble actividad glicosildiacilglicerolsintasa. De este estudio se extrae que GT-MG517 puede transferir un azúcar, Glc o Gal, a una molécula principalmente hidrofóbica, como es el DOG, y a una molécula mucho más hidrofílica, como el MGlcDG. Pese a su diferencia, los dos compuestos poseen un alcohol primario sobre el que tiene lugar la transferencia creándose el enlace (16). Con cualquiera de los sustratos aceptores probados, la enzima presenta actividades específicas superiores si el sustrato dador es UDP-Gal. El aceptor preferido de GT-MG517 es el lípido DOG, aunque la glicosiltransferasa es capaz de elongar, ya sea con una Glc o con una Gal, glicolípidos como el MGlcDG y el MGDEG, prefiriendo en este caso el compuesto con una Gal en el extremo no reductor. Aún así, la afinidad de la enzima es superior para dadores con Glc (KM inferiores a las de los dadores con Gal). Por otro lado, se demostró que el lípido aniónico DOPG se comporta como activador de la actividad enzimática. GT-MG517 posee un dominio teórico de unión de UDP-Glc en su extremo N-terminal. Esta zona presenta similitud de secuencia con otras glicosiltransferasas y permite la clasificación de GT-MG517 dentro de la familia GT-2. En cambio, su extremo C-terminal presenta una secuencia particular que no se alinea con otras proteínas. En esta tesis se formula la hipótesis que dicha zona podría ser de interacción con la membrana y, además, que dicha interacción podría regular la actividad enzimática. Por eso se prepararon distintas formas trucadas de GT-MG517, en las cuales se eliminaron algunos aminoácidos del extremo C-terminal, y una forma en la cual sólo se conservó el hipotético dominio de unión de UDP-Glc. Las nuevas proteínas se expresaron, solubilizaron y purificaron aplicando el protocolo establecido para la forma completa. Con el análisis de los glicolípidos sintetizados se determinó que los diez últimos aminoácidos de GT-MG517 eran prescindibles para su actividad, ya que las correspondientes formas truncadas conservaban su capacidad de sintetizar glicolípidos. No obstante, la eliminación de un número superior de residuos inactiva la proteína. La purificación del hipotético dominio de unión de UDP puso de manifiesto que forma oligómeros, de la misma forma en que lo hace la proteína completa. / This thesis is focused on the glycolipid producing glycosyltransferases from Mycoplasma genitalium. Glycolipids are part of the microorganism plasma membrane, which is the external covering of mycoplasmas since they lack a cell wall. Our working hypothesis is that glycolipids and the enzymes responsible for their production are essential to mycoplasma. Thus, glycosyltransferase inhibition could be a way to eradicate this pathogen caused infections. There are three genes described as putative glycosyltransferases in Mycoplasma genitalium genome, mg025, mg060 and mg517. We determined that mg025 is the only one essential to the bacteria, although the three of them are expressed both during the exponential and stationary growth phases. The function of mg025 and mg060 still remains unknown, whereas mg517 codifies for the glycosyltransferase responsible for monoglycosyldiacylglycerol (MGlcDG) and diglycosyldiacylglycerol (DGlcDG) synthesis, main mycoplasma glycolipids. In this work an expression protocol for mg517 codified glycosyltransferase was designed. The protocol included chaperone coexpression and protein solubilization with detergents, glycerol and high ionic strength. This methodology was necessary since GT-MG517 is a membrane associated protein and its recombinant expression in E.coli presents some difficulties. GT-MG517 was purified by Ni affinity chromatography. However, a suitable purity degree to attempt protein crystallization was not achieved. Some experiments using size exclusion chromatography revealed that GT-MG517 forms high molecular weight oligomers. A kinetic study of the protein double glycosyldiacylglycerol synthase activity was performed. From this study we learned that GT-MG517 is able to transfer a sugar moiety, Glc or Gal, both to a hydrophobic molecule such as DOG or to a more hydrophilic compound such as MGlcDG. These acceptor substrates share a primary alcohol where the sugar transfer takes place forming a (16) bond. The enzyme presents higher specific activities when UDP-Gal acts as reaction donor, regardless of the acceptor tested. DOG is the preferred acceptor although the enzyme is able to transfer Glc or Gal moieties to glycolipids such as MGlcDG and MGDEG. In this case, the reaction is faster with acceptors with Gal in the non-reducing end. As for donor substrate, enzyme’s affinity is higher for Glc containing molecules, with lower KM values than for Gal donors. In addition, our study proved the anionic lipid DOPG to act as an enzymatic activity enhancer. GT-MG517 has a putative binding domain for UDP-Glc in the N-terminal end. This sequence is similar to other glycosyltransferases and allows its classification in Cazy’s GT-2 family. On the contrary, the C-terminal end has a particular sequence which does not match up with any other protein. Our hypothesis was that this C-terminal end of GT-MG517 could contain a membrane interaction sequence, which could at the same time modulate enzymatic activity. To test this hypothesis some truncated forms of GT-MG517, where C-terminal aminoacids had been removed, were prepared. Moreover, a form where only the putative UDP-Glc binding domain was conserved was also expressed. All these proteins were expressed, solubilized and purified with the same protocol used for the full-length form of GT-MG517. Glycolipids produced by truncated forms were analysed and results implied that the last ten aminoacids were not involved in the enzyme’s activity. Elimination of a higher number of aminoacids caused protein inactivation. When the putative UDP-binding domain was purified, it showed high molecular weight oligomers such as those developed by the complete form of the protein.