Komagataella

En la naturaleza, Komagataella se encuentra en árboles, como los castaños . ^{[ 7 ]} Son heterótrofos y pueden usar varias fuentes de carbono para vivir, como glucosa , glicerol y metanol . ^{[ 8 ]} Sin embargo, no pueden usar lactosa .

Komagataella puede reproducirse tanto asexualmente como sexualmente , por gemación y ascosporas . ^{[ 9 ]} En este caso, existen dos tipos de células de Komagataella : células haploides y diploides . En el ciclo de vida asexual , las células haploides experimentan mitosis para reproducirse. En el ciclo de vida sexual, las células diploides experimentan esporulación y meiosis . ^{[ 10 ]} La tasa de crecimiento de sus colonias puede variar en un amplio rango, desde casi 0 hasta un tiempo de duplicación de una hora, lo cual es adecuado para procesos industriales. ^{[ 11 ]}

Como organismo modelo genético, Komagataella puede utilizarse para análisis genéticos y cruzamientos genéticos a gran escala , gracias a sus datos genómicos completos y su capacidad para llevar a cabo procesos genéticos eucariotas complejos en un genoma relativamente pequeño. Se investigaron los genes funcionales para el ensamblaje de peroxisomas comparando cepas silvestres y mutantes de Komagataella . ^{[ 17 ]}

Como organismo modelo experimental, Komagataella se utilizó principalmente como sistema huésped para la transformación . Debido a su capacidad de recombinación con ADN extraño y procesamiento de proteínas grandes, se han realizado numerosas investigaciones para estudiar la posibilidad de producir nuevas proteínas y la función de proteínas diseñadas artificialmente, utilizando Komagataella como huésped de transformación. ^{[ 18 ]} En la última década, Komagataella se modificó genéticamente para construir plataformas de sistemas de expresión , lo cual es una aplicación típica para un organismo modelo experimental estándar, como se describe a continuación.

1. Komagataella puede crecer en un medio simple y económico, con una alta tasa de crecimiento. Komagataella puede crecer tanto en matraces de agitación como en un fermentador , lo que la hace adecuada para la producción a pequeña y gran escala. ^{[ 21 ]}
2. Komagataella posee dos genes de alcohol oxidasa , Aox1 y Aox2 , que incluyen promotores altamente inducibles . ^{[ 22 ]} Estos dos genes permiten a Komagataella utilizar metanol como fuente de carbono y energía. Los promotores AOX se inducen por metanol y se reprimen por glucosa . Generalmente, el gen de la proteína deseada se introduce bajo el control del promotor Aox1 , lo que significa que la producción de proteínas puede inducirse mediante la adición de metanol al medio. Tras varias investigaciones, los científicos descubrieron que el promotor derivado del gen AOX1 en Komagataella es extremadamente adecuado para controlar la expresión de genes foráneos, que se han incorporado al genoma de Komagataella , produciendo proteínas heterólogas. ^{[ 23 ]}
3. Con una característica clave , Komagataella puede crecer con una densidad celular extremadamente alta en el cultivo. Esta característica es compatible con la expresión de proteínas heterólogas, lo que da como resultado mayores rendimientos de producción. ^{[ 24 ]}
4. Komagataella posee una vía secretora bien desarrollada que involucra el retículo endoplasmático y un aparato de Golgi apilado , más similar al de los eucariotas superiores que al de Saccharomyces cerevisiae . Esto permite el plegamiento eficiente y la modificación postraduccional de proteínas heterólogas, incluyendo la formación de enlaces disulfuro y la glicosilación. Este proceso permite que muchas proteínas recombinantes se secreten en el medio de cultivo como formas solubles y fisiológicamente activas. ^{[ 25 ] [ 26 ]}
5. La tecnología necesaria para la manipulación genética de Komagataella es similar a la de Saccharomyces cerevisiae , uno de los organismos modelo de levadura más estudiados. Por consiguiente, el protocolo experimental y los materiales son fáciles de elaborar para Komagataella . ^{[ 27 ]}

Dado que algunas proteínas requieren chaperoninas para su correcto plegamiento, Komagataella no puede producir varias proteínas, ya que carece de las chaperonas adecuadas. Las tecnologías para introducir genes de chaperoninas de mamíferos en el genoma de la levadura y sobreexpresar chaperoninas existentes aún requieren mejoras. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

En la investigación estándar de biología molecular , la bacteria Escherichia coli es el organismo más utilizado como sistema de expresión para producir proteínas heterólogas , debido a su rápido crecimiento, alta tasa de producción de proteínas y condiciones de cultivo poco exigentes. La producción de proteínas en E. coli suele ser más rápida que en Komagataella , por las siguientes razones: las células competentes de E. coli se pueden almacenar congeladas y descongelar antes de su uso, mientras que las células de Komagataella deben producirse inmediatamente antes de su uso. Los rendimientos de expresión en Komagataella varían entre diferentes clones , por lo que se debe analizar un gran número de clones para la producción de proteínas, con el fin de encontrar el mejor productor. La mayor ventaja de Komagataella sobre E. coli es que Komagataella es capaz de formar enlaces disulfuro y glicosilaciones en las proteínas, mientras que E. coli no puede. ^{[ 30 ]} E. coli puede producir una proteína mal plegada cuando se incluyen disulfuros en el producto final, lo que da lugar a formas inactivas o insolubles de proteínas. ^{[ 31 ]}

La bien estudiada Saccharomyces cerevisiae también se utiliza como sistema de expresión con ventajas similares sobre E. coli que Komagataella . Sin embargo, Komagataella tiene dos ventajas principales sobre S. cerevisiae en entornos de laboratorio e industriales:

1. Como se mencionó anteriormente, Komagataella es un metilotrofo , lo que significa que puede crecer utilizando metanol como única fuente de energía. Komagataella puede crecer rápidamente en suspensión celular con una solución de metanol relativamente concentrada, la cual mataría a la mayoría de los demás microorganismos. En este caso, el sistema de expresión es económico de instalar y mantener.
2. Komagataella puede alcanzar una densidad celular muy alta. En condiciones ideales, puede multiplicarse hasta que la suspensión celular se convierte prácticamente en una pasta. Dado que el rendimiento proteico del sistema de expresión en un microorganismo es aproximadamente igual al producto de las proteínas producidas por célula, Komagataella resulta muy útil para producir grandes cantidades de proteína sin necesidad de equipos costosos. ^{[ 30 ]}

En comparación con otros sistemas de expresión, como las células S2 de Drosophila melanogaster y las células de ovario de hámster chino , Komagataella suele ofrecer rendimientos mucho mejores. Generalmente, las líneas celulares de organismos multicelulares requieren medios de cultivo complejos y costosos, que incluyen aminoácidos , vitaminas y otros factores de crecimiento . Estos medios aumentan significativamente el costo de producción de proteínas heterólogas. Además, Komagataella puede crecer en medios que contienen una sola fuente de carbono y una sola fuente de nitrógeno , lo que resulta adecuado para aplicaciones de marcaje isotópico, como la RMN de proteínas . ^{[ 30 ]}

En los últimos años, Komagataella se ha utilizado para la producción de más de 500 tipos de bioterapéuticos , como el IFNγ . Al principio, una desventaja de este sistema de expresión de proteínas es la sobreglicosilación con una alta densidad de estructura de manosa , que es una causa potencial de inmunogenicidad . ^{[ 32 ] [ 33 ]} En 2006, un grupo de investigación logró crear una nueva cepa llamada YSH597. ^{[ a ]} ​​Esta cepa puede expresar eritropoyetina en su forma de glicosilación normal, intercambiando las enzimas responsables de la glicosilación de tipo fúngico con los homólogos de mamíferos. Por lo tanto, el patrón de glicosilación alterado permitió que la proteína fuera completamente funcional. ^{[ 34 ]}

Un hito significativo en el uso de K. phaffii en la tecnología alimentaria fue su clasificación GRAS por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. , junto con la aprobación de proteínas recombinantes. ^{[ 35 ]} Ahora se utiliza para producir diversas enzimas que sirven como coadyuvantes de procesamiento y aditivos alimentarios . En la producción de panadería, las enzimas producidas por Komagataella genéticamente modificada pueden mantener la frescura del pan y compensar las variaciones en la calidad de la harina y la malta. En la elaboración de cerveza, pueden reducir el contenido de alcohol de la cerveza o modificar el sabor y las propiedades de filtración del vino. ^{[ 36 ]} La fosfolipasa C recombinante expresada se utiliza para desgomar aceites vegetales con alto contenido de fósforo mediante la hidrólisis de fosfolípidos. En la alimentación animal, la fitasa producida por K. phaffii descompone el ácido fítico , un antinutriente. ^{[ 37 ]}

Recientemente, K. phaffii se ha utilizado cada vez más para producir leghemoglobina de soja , una hemoproteína vegetal que confiere color y sabor a los análogos de carne de origen vegetal. ^{[ 38 ]} Esto amplía la aplicación industrial de K. phaffii , pasando de enzimas técnicas a ingredientes alimentarios funcionales. Para ello, la levadura utiliza sus potentes promotores inducibles por metanol y su eficiente secreción para producir leghemoglobina funcional para su uso como ingrediente alimentario. Mediante ingeniería de cepas, incluyendo la optimización de la biosíntesis del hemo y los péptidos señal , y la fermentación controlada por lotes alimentados, se han alcanzado títulos de leghemoglobina secretada del orden de gramos por litro. Esto hace que la producción a gran escala de análogos de carne sea económicamente viable. ^{[ 39 ] [ 26 ]}