UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANAUnidad Iztapalapa

Estudios para la produccin de una lacasa termoestable por el hongo Trametes sp. EUM1

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QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN BIOTECNOLOGA

PRESENTA ANGEL EDUARDO MRQUEZ ORTEGA

DIRECTOR DE TESIS DR. OCTAVIO LOERA CORRAL

Mxico, D.F.

Mayo de 2006

La Maestra en Biotecnologa de la Universidad Autnoma Metropolitana esta incluida en el Padrn Nacional de Posgrados de Excelencia del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACyT) y adems cuenta con el apoyo del mismo Consejo, con el nmero de registro 0471-O.

El alumno de Maestra Angel Eduardo Mrquez Ortega recibi el apoyo econmico del CONACyT con el registro de becario nmero 180884.

AGRADECIMIENTOS

Es meritorio agradecer la colaboracin de aquellas personas que hicieron posible este estudio. En primer lugar, le doy las gracias a la naturaleza por crear el fascinante mundo de los seres vivos, en especial a los hongos y que me permiti estudiar al hongo Trametes sp. EUM1 para lograr la elaboracin de esta tesis. Agradezco al Dr. Jos Juan Ziga Aguilar de la Unidad de Bioqumica y Biologa Molecular de Plantas del Centro de Investigacin Cientfica de Yucatn (CICY) y a sus colaboradores en especial a la biloga Yumi Elena Nakazawa Ueji por todo el apoyo brindado durante la estancia en el Centro de Investigaciones y an fuera de este. Agradezco, especialmente, a mi director de tesis, el Dr. Octavio Loera Corral, por su apoyo, orientacin profesional y su amistad durante la realizacin de este trabajo. Gracias a los miembros de mi comit tutorial, la Dra. Ainhoa Arana Cuenca y el Dr. Gustavo Viniegra Gonzlez por haberme aceptado en su grupo de investigacin, por compartir sus valiosas enseanzas y consejos y porque este proyecto es el fruto de su orientacin, sus ideas y sus correcciones.

Agradezco al ProfesorInvestigador Edmundo Arturo Prez Godinez de la Universidad Autnoma de Chapingo por el apoyo brindado durante la realizacin de la tcnica de hibridacin con sonda radioactiva y por cumplir siempre con tu vocacin de enseanza. Gracias a la Dra. Diana Vernica Cortes Espinosa por su amistad y la enseanza de algunas tcnicas de biologa molecular al inicio del trabajo experimental. Tambin agradezco al Maestro Javier Lpez Cruz por su asistencia y sus sugerencias en la realizacin del anlisis Zimografico.

Gracias a Ruth Torres, Isabel Membrillo, Maria de los Angeles, Oscar Nez y Cesar Espinosa porque ms compaeros se convirtieron en buenos amigos, ya que me brindaron su amistad incondicional y por hacer del laboratorio W-104, un lugar en el

que se puede conversar, adems de trabajar; tambin le agradezco a Ruth sus sugerencias productivas para el desarrollo de esta investigacin y su ayuda en el laboratorio. Gracias a mis compaeros de laboratorio: Rafael, Marcos, Divanery, Maria de Jess, Lorena y en general a todos aquellos con los que conviv y que estuvieron durante la realizacin de ste trabajo.

Finalmente gracias a mis padres por la persona que soy, ya que ellos con esfuerzo, dedicacin al trabajo y ejemplo de perseverancia, lograron educar y motivar para bien a todos sus hijos y consiguieron sacarlos adelante. Tambin agradezco a mis hermanos de los cuales he aprendido con su ejemplo.

RESUMENEn este trabajo se estudi el efecto que tiene la fuente de nitrgeno en la expresin de las distintas lacasas del hongo termo tolerante Trametes sp. EUM1. Tambin se identific en cuales extractos existan las isoformas con mayor estabilidad trmica. Este estudio radica en la necesidad de encontrar condiciones de cultivo favorables para la produccin de isoformas de la enzima lacasa que tengan propiedades de gran importancia para los procesos industriales o biotecnolgicos (la produccin de pigmentos, degradacin de la lignina o de compuestos fenlicos y sus derivados, entre otros). Por esta razn, se han buscado, identificado y clonado genes de la enzima lacasa en diversos gneros de microorganismos, incluyendo el gnero Trametes. En una primera etapa, se propag la cepa de Trametes sp. EUM1 en medio Kirk lquido, con dos diferentes fuentes de nitrgeno (Tartrato de amonio y Peptona de casena), y se analiz la actividad y el patrn de produccin de lacasas. La actividad enzimtica se determin mediante la oxidacin del ABTS (cido 3-etilbenzo-tiazolin6-sulfonico) como sustrato y se obtuvo un valor mximo de actividad lacasa de 47 UE/L en el medio con peptona. Una vez confirmados estos datos, se realiz el ensayo de termotolerancia de los extractos enzimticos provenientes del medio Kirk con peptona, comparndose con una enzima comercial (Novo). Los resultados de esta prueba mostraron que despus de una incubacin de una hora a 60 C, el extracto enzimtico, medido a temperatura ambiente, conserv una mayor actividad residual (hasta un 85%) con respecto a la enzima comercial (58% de actividad residual). Adems, el hongo Trametes sp. EUM1 produjo al menos una isoforma de lacasa termoestable a 70 C, debido a que mantuvo el 35% de su actividad despus de una hora de incubacin. Este resultado fue confirmado por medio de zimogramas en condiciones nativas. El ensayo mostr una banda enzimtica termoestable similar a banda de la enzima comercial, pero, con un peso molecular aproximado de 50 kDa.

Por otro lado, se observ que la fuente de nitrgeno tiene efecto sobre la actividad lacasa y la expresin de las isoformas. A partir de anterior, se extrajo el ARNT del medio Kirk con peptona de casena de los das que presentaron una mayor produccin de lacasas termoestables (das 5, 6 y 7) para la generacin de una genoteca de ADNc del hongo Trametes sp. EUM1, la cual mostr un valor de titulacin de 9.20x107 pfu/mL, siendo aceptable el resultado segn la bibliografa. Se obtuvo una sonda a partir de un fragmento amplificado del ADN genmico de Trametes sp. EUM1, con un tamao de 324 pb y que pertenece a un gen de lacasa, segn el resultado correspondiente a su secuencia. Finalmente se realiz la hibridacin de de la genoteca con con la sonda, para rastrear los en fragmentos su ADN. correspondientes a un gen de lacasa y de esta forma se seleccionaron 20 colonias bacterifago insercin de distintos fragmentos Desafortunadamente, ninguna de las secuencias mostr que los fragmentos pertenecieran a un gen de lacasa. La conclusin principal de este trabajo es: la fuente de nitrgeno (peptona vs. tartrato de amonio) tiene un efecto muy marcado en la produccin y expresin de isoformas termoestables de la enzima lacasa del hongo termo tolerante Trametes sp. EUM1, porque la adicin de peptona se asoci con mayor actividad de una banda electrofortica de lacasa termoestable. Adems, se logr la construccin de una sonda que facilit la clonacin e identificacin de un fragmento de ADN genmico del hongo perteneciente a un gen de lacasa. Este avance es necesario para lograr, en un futuro, la clonacin de una enzima termoestable de este organismo.

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NDICEPgina 1. INTRODUCCIN ... 1 2. ANTECEDENTES .. 2.1. Lacasas . 2.2.1. Caractersticas del gnero Trametes .. 4 5 7

2.2. Organismos productores de lacasas .. 6

2.3. Propiedades moleculares de las lacasas 9 2.3.1. Lacasas termoestables ... 2.3.2. Condiciones de cultivo que afectan la produccin de la enzima lacasa .... 2.4. Induccin de lacasas ..... 2.4.1. Genes de lacasas .... 2.5. Aplicaciones industriales de las lacasas ... 2.6. Trametes sp. EUM1: un potencial microorganismo para la produccin de lacasas termoestables ... 22 11 12 13 16 20

3. JUSTIFICACIN 24 4. HIPTESIS . 5. OBJETIVO GENERAL ...... 6. OBJETIVOS PARTICULARES ..... 25 25 26

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Pgina 7. MATERIALES Y MTODOS 27 7.1. Microorganismos .. 27 7.1.1. Hongos ... 27 7.1.2. Bacterias .... 7.2. Medios de cultivo para bacterias ...... 7.2.1. Medio Luria Bertani (LB) ... 7.2.2. Medio NZY/MgSO4 ...... 27 28 28 28

7.2.3. Medio Terrific Broth (TB) . 29 7.3. Medios de cultivo para hongos . 29 7.3.1. Medio Kirk .... 29 7.3.2. Medio de Malta .. 30 7.4. Ensayo de fermentacin lquida sin agitacin ...... 7.4.2. Determinaciones analticas 7.4.2.1. Actividad Enzimtica ..... 7.4.2.2. Determinacin de la termoestabilidad ... 7.4.2.4. Precipitacin con acetona fra .... 7.5. Zimogramas .. 7.5.2. Soluciones para la realizacin de los zimogramas .... 7.5.3. Preparacin del gel de separacin ..... 7.5.4. Preparacin del gel concentrador ...... 30 31 31 31 32 33 33 35 35

7.4.1. Mtodo ... 30

7.4.2.3. Preparacin de los extractos enzimticos y la enzima comercial ... 31

7.5.1. Mtodo ... 33

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ndice 7.6. Tcnicas de Biologa Molecular ... 7.6.1. Obtencin de ADN .... 7.6.1.1. Obtencin de ADN genmico .... 7.6.1.2. Obtencin de ADN plsmidico ...... 7.6.1.3. Obtencin del ADN de bacterifago ...... 7.6.1.4. Cuantificacin de ADN ...... 7.6.2. Obtencin de ARN .... 7.6.2.1. Obtencin del ARN total .... 7.6.2.2. Cuantificacin de ARN total ...... 7.6.3. Electroforesis . 7.6.3.1. Electroforesis en geles de agarosa ...... 7.6.3.2. Purificacin de ADN de geles de agarosa ...... Pgina 36 36 36 37 38 40 40 40 40 40 40 41

7.6.4. Diseo de Cebadores y PCR .. 41 7.6.4.1. Diseo de cebadores ... 7.6.4.2. Reaccin en cadena de la polimerasa (PCR) ...... 41 41

7.6.4.3. Clonacin de productos de PCR . 43 7.6.5. Digestin con enzimas de restriccin .... 7.6.5.1. Digestin del ADN plsmidico con enzimas de restriccin ... 44 44

7.6.6. Genoteca de ADNc 44 7.6.6.1. Construccin de la genoteca de ADNc ... 44 7.6.6.2. Conversin de ADN del fago TriplEx2 al plsmido pTriplEx2 .. 48

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ndice 7.6.7. Hibridacin con sondas ..... Pgina 48

7.6.7.1. Realizacin de las placas de lisis 48 7.6.7.2. Transferencia de las placas de lisis a membranas de nylon 49 7.6.7.3. Transferencia de los geles de agarosa a membranas de nylon (Southern) 7.6.7.4. Marcaje de sonda con 32P ... 7.6.7.5. Mtodo de la hibridacin radioactiva ..... 7.6.7.6. Deteccin radioactiva ..... 7.6.7.7. Marcaje de sonda con digoxigenina ... 7.6.7.8. Mtodo de la hibridacin no radioactiva .... 7.6.7.9. Deteccin quimioluminiscente de ADN marcado con digoxigenina . 49 50 51 52 52 53 53

7.6.8. Secuenciacin de nucletidos 54 7.6.8.1. Secuenciacin automtica de ADN .... 7.6.8.2. Anlisis de las secuencias de ADN .... 8. RESULTADOS Y DISCUSIONES .... 8.1. Estudios cinticos ..... 8.1.1. Actividad y termoestabilidad de las lacasas .. 8.1.2. Zimogramas ... 8.2. Estudios de biologa molecular .... 8.2.1. Obtencin de la sonda ... 8.2.3. Rastreo de la genoteca ... 54 54 55 55 55 62 64 64 74

8.2.2. Genoteca de ADNc 71 8.2.4. Conversin de ADN de bacterifago a ADN plsmidico ... 77

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Pgina RESUMEN DE RESULTADOS . 82 CONCLUSIONES ... 84 BIBLIOGRAFA . 85

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NDICE DE FIGURASPginaFigura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Trametes hispida ..... Vector pGEM easy systems .... Vector TriplEx2 ............................ Gel de poliacrilamida al 12% en condiciones no desnaturalizantes para la deteccin de la actividad lacasa en los extractos enzimticos de Trametes sp. EUM1, los cuales fueron sometidos a una hora a diferentes temperaturas Representacin de geles de agarosa en los cuales se presenta 5 A) La PCR utilizando cebadores especficos y distintas condiciones y 5 B) fragmento de 300pb purificado .. Gel de agarosa al 2 % en donde se muestra la digestin del plsmido pEMO1 con la enzima de restriccin Eco RI (- Eco RI= sin digerir y + Eco RI = digerido por la enzima), tanto para la colonia blanca (Colonia (+)), como para la colonia azul (Control (-)) y a diferentes concentraciones de ADN plsmidico (1 L: carril 6 y 7; 2 L: carril 2 y 3) .. 7 A) Fragmento obtenido a partir del programa Clone Manager 5, utilizando las enzimas Spe I y EcoR I para los cortes de los extremos. 7 B) Secuencia del fragmento insertado en el plsmido pGEM . Alineamiento del fragmento en el buscador BLAST y los microorganismos de los genes con los que se aline el fragmento secuenciado Representacin de geles de agarosa en los cuales se presenta el ARN total del hongo Trametes sp. EUM1. 9 A) ARN total extrado y 9 B) ARN total tratado con Dnasa I .. Representacin de geles de agarosa en los cuales se presenta 10 A) el ADNc amplificado y 10 B) el fraccionamiento de este mismo .. Gel de agarosa que muestra 20 colonias de lisis de ADNc contenidos en el TriplEx y que fueron obtenidos por PCR .. Se muestra en: 12 A) la autografa con las colonias seleccionadas por estar marcadas con nuestra sondas; mientras que en 12 B) se encuentra nuestra placa de lisis donde se sealan las colonias encontradas por medio de hibridacin . 8 44 45

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Figura 5.

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Figura 6.

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Figura 7.

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Figura 8.

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Figura 9.

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Figura 10.

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Figura 11.

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Figura 12.

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ndice PginaFigura 13. Autografa de la hibridacin con digoxigenina de dos colonias de bacterifagos aisladas de la prueba anterior de hibridacin con fsforo ... En A y B se presenta el ADN plsmidico obtenido despus de la conversin del ADN de bacterifago ... En A y B se presenta el ADN plsmidico de cada una de las colonias y digerido por las enzimas de restriccin Kpn I y Xba I. El circulo muestra algunos fragmentos obtenidos apartir de la digestin del plsmido . 76

Figura 14.

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Figura 15.

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NDICE DE TABLAS, DIAGRAMAS Y GRAFICASTABLASTabla 1. Propiedades moleculares de algunas lacasas en plantas y hongos 10

Pgina

DIAGRAMASDiagrama 1. Procedimiento de la sntesis de la genoteca de ADNc (SMARTTM

cDNA 47

Library Construction Kit) .

GRAFICASGrfica 1. Perfiles de actividades volumtricas de lacasas en fermentacin lquida del hongo Trametes sp. EUM1 a 39C .. Grfica 2. Actividad residual obtenida en la fermentacin lquida Actividad residual obtenida en la fermentacin lquida en los medios 57 59 en los medios utilizados para la prueba de termotolerancia a 60C Grfica 3. utilizados para la prueba de termotolerancia a 70C Grfica 4. Comparacin de la actividad residual de los extractos enzimticos del hongo Trametes sp. EUM1 con la enzima comercial (Novo) en la prueba de termotolerancia . 61 55

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Introduccin

1. INTRODUCCIN

Las lacasas (p~difenoloxidasa, EC 1.10.3.2) son polifenoloxidasas que catalizan la oxidacin de compuestos fenlicos con la reduccin correspondiente del O2 a H2O sin la necesidad de H2O2 para su accin (Koroljova-Skorovogat-ko y col., 1998; Antorini y col., 2002; Colao y col., 2003; Palmieri y col., 2000). Debido a sus propiedades catalticas, en varias reas de la industria se han desarrollado tecnologas de oxidacin por medio de las lacasas que produce diversos hongos; ya sea utilizando solamente la enzima con algn compuesto que se utilice como mediador de sta (Fabrini y col., 2001).

En la naturaleza las enzimas lacasas son comunes, especialmente en plantas y hongos; aunque tambin se ha reportado su actividad en algunas bacterias e

insectos (Gianfreda y col., 1998; Martins y col., 2002; Arias y col., 2003). Los hongos pertenecientes al gnero Trametes son productores de enzimas lacasas y la gran mayora de sus especies son microorganismos mesoflicos; ya que crecen en regiones templadas (temperaturas de 10 a 19C) y subtropicales (temperaturas de 19 a 24C). Estos hongos tienen la capacidad de desarrollarse sobre los troncos de los rboles, los troncos cados o quemados y su crecimiento es en forma de repisas (Herrera y Ulloa, 1990). A diferencia de otros hongos de este gnero, el hongo Trametes sp. EUM1 fue aislado en el Sureste de Mxico; el cual posee un clima tropical (temperaturas mayores de 24C) y adems este hongo se dice que es un microorganismo termotolerante porque su mayor crecimiento de micelio es a una temperatura de 45C, aunque tambin puede crecer a temperatura de 20C (Medina, 2003).

Un tema de actualidad es la bsqueda de enzimas que puedan tener propiedades exclusivas, tales como la termoestabilidad, la resistencia a algunos solventes, entre otras. Dentro de este tipo de enzimas se encuentran algunas lacasas termoestables, 1

Introduccin las cuales han sido aisladas, caracterizadas, algunas de ellas patentadas y comercializadas (Berka y col., 1997). Estas propiedades les pueden conferir a las enzimas algunas ventajas en los bioprocesos industriales; as como tambin, similitudes o diferencias en sus propiedades fisicoqumicas y valor econmico alto en el mercado. Ciertas lacasas son producidas por algunos hongos termotolerantes. Por esta razn es preciso estudiar las propiedades generales de las lacasas producidas por hongos termotolerantes termoflicos.

Por otra parte, muchos hongos son productores de enzimas lacasas, pero sus niveles de produccin son muy bajos; por lo que esta fuente econmica puede ser importante, si se mejoran las condiciones de produccin de las enzimas. Para mejorar dichas condiciones es necesario estudiar algunas aplicaciones y tcnicas biotecnolgicas tales como el crecimiento en diversos medios de cultivo con la variacin de las fuentes de carbono y nitrgeno (Kirk y Fenn, 1982). Algunas otras tcnicas comprenden la clonacin y expresin de los genes para la sobreproduccin de este tipo de enzimas (Bruce y Palfreyman, 1998). Los genes de lacasa han sido clonados de una gran diversidad de hongos presentes en la naturaleza, una vez clonados estos genes, pueden ser expresados en forma heterloga en levaduras y hongos; siendo los mejores sistemas de expresin los hongos, ya que estos pueden incrementar los rendimientos en la protena heterloga (Tllez-Jurado y col., 2005).

Por lo anterior, el presente trabajo esta enfocado a determinar la capacidad de produccin de lacasas del hongo Trametes sp. EUM1 aprovechando la biodiversidad de nuestro pas. Tambin esta orientado a la bsqueda y caracterizacin de isoformas que se presentan en los extractos enzimticos producidos por el hongo y as evaluar el efecto de la variacin en la fuente de nitrgeno con un medio definido. Finalmente, estudiar fragmentos del ADN genmico del hongo e iniciar la bsqueda del gen los genes de lacasas termoestables.

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Introduccin Una parte importante de este trabajo es el estudio de las isoformas producidas por el hongo Trametes sp. EUM1, ya que cada isoforma puede presentar propiedades distintas. Esto se pretende lograr utilizando un medio definido con variacin en la fuente de nitrgeno para la produccin de isoformas de la enzima lacasa; de igual forma se aprovecha la caracterstica termotolerantes del hongo para identificar la isoforma termoestable.

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Antecedentes

2. ANTECEDENTES

Las polifenoloxidasas (oxidoreductasas) son un grupo de cuproprotenas que estn clasificadas dentro de tres tipos de actividad: cresolasas (EC 1.14.18.1), catecoloxidasa (EC 1.10.3.1) y lacasas (EC 1.10.3.2) (Suzuki y col., 2003). Estos grupos poseen una gran variedad de funciones, tales como diversidad en su especificidad, reactividad, grado de polimorfismo y otras como sus propiedades catalticas, fisicoqumicas y biolgicas que son importantes en la industria y en algunas aplicaciones mdicas (Xu, 2005). Las enzimas pertenecientes a estos grupos, han sido estudiadas rigurosamente y sistemticamente; tambin, se han utilizado para los sistemas catalticos en la industria de la biocatlisis y con ello, han originado un avance y expansin de la biotecnologa moderna (Duran y col., 2002). Asimismo, son econmicamente viables debido a que en el mercado ocupan una mnima proporcin con respecto a otras enzimas comerciales (proteasas, carbohidrasas y esterasas) y reducen los costos en los procesos (Zaremski y col., 2005). Las oxidoreductasas comerciales son limitadas con respecto al repertorio que se encuentra en la naturaleza, creando as espacios y un potencial para el desarrollo de oxidoreductasas basadas en la biocatlisis (Xu, 2005). Recientemente, el grupo que ha sido utilizado con gran amplitud en las aplicaciones biotecnolgicas, son las lacasas, las cuales se manejan para eliminar contaminantes en algunos procesos; como por ejemplo, los colorantes derivados de la industria textil y los polifenoles presentes en los licores negros de la industria de la celulosa y el papel (Flinckinger y Drew, 1999). La oxidacin de los compuestos en estos procesos se realiza con facilidad usando hipoclorito de sodio, pero esta reaccin produce compuestos como los cloro-bencenos que son cancerigenos y por tanto, peores contaminantes. Por otro lado, una alternativa es utilizar lacasas u otras oxidasas que utilicen al oxigeno como aceptor de hidrgenos y as generen perxidos y superxidos de cobre en los sitios de esas enzimas (Muoz y col., 1997). A su vez, 4

Antecedentes estos superxidos pueden oxidar compuestos orgnicos como los polifenoles o algunos mediadores, que al elevarse su concentracin pueden oxidar compuestos que no son oxidados por el sitio activo de la enzima (Thurston, 1994). De este modo, las polifenoloxodasas se pueden utilizar para reducir la contaminacin de los efluentes con compuestos aromticos, para alcanzar los niveles permitidos cumpliendo las nuevas reglamentaciones ambientales a un menor costo.

2.1. Lacasas La enzima lacasa fue descubierta por primera vez en el rbol japons Rhus vernicifera, llamado tambin rbol de la laca, termino que dio el nombre de la enzima (Eggert y col., 1998; Antorini y col., 2002). Las enzimas realizan la oxidacin a una gran variedad de compuestos como son sustratos orgnicos e inorgnicos, incluyendo monofenoles, difenoles y polifenoles, aminofenoles, metoxifenoles, aminas aromticas y ascorbato (Galhaup y col., 2002; Kiiskinen y col., 2004). La reduccin del oxgeno a agua por esta enzima, est acompaada por la oxidacin tpica de un sustrato fenlico, generando un radical libre, que generalmente es inestable. Tambin, puede experimentar una segunda oxidacin por catlisis enzimtica para formar quinonas, o puede ocurrir una reaccin no enzimtica tal como una hidratacin o desprotonacin, y/o podra participar en una reaccin de polimerizacin, dando un compuesto amorfo insoluble como la melanina (Thurston, 1994). Adems, pueden oxidar a sustratos no fenlicos en presencia de mediadores apropiados (Amitai y col., 1998). Estas enzimas tienen una amplia especificidad de sustrato as como de mediadores redox (Johannes, 2000). Por otra parte, la lacasa no es especfica a un solo sustrato y que la gama de estos puede variar de una lacasa a otra (Villaseor y col., 2004). Las reacciones oxidativas que pueden llevar acabo las lacasas para despolimerizar la lignina incluyen: rompimiento entre enlaces C- C, hidroxilacin, rompimiento de 5

Antecedentes estructuras aromticas y desmetilacin (Sariaslani, 1989; Farnet y col., 1999). Este tipo de enzimas se han estudiado desde finales de la dcada de los 90s (KoroljovaSkorovogat-ko y col., 1998) y son producidas por una gran diversidad de organismos en la naturaleza.

2.2. Organismos productores de lacasas Segn Flickinger y Drew, (1999) las lacasas han sido detectadas en plantas, como el rbol de la laca, mango, algunas variedades de frjol, melocotn, pino, ciruela y sicamoro; en bacterias, como Azospirillum lipoferum y algunos gneros de insectos como son: Bombix, Calliphora, Diploptera, Drosophila, Lucilia, Manduca, Musca, Orycetes, Papillo, Phormia, Rhodnius, Sarcophaga, Schistocerca y Tenebrio. Tambin se encuentran en ms de cuarenta diferentes hongos, dentro de los cuales se tienen los gneros Agaricus, Antrodiella, Armillaria, Aspergillus, Bjerkandera, Botrytis, Ceriporiopsis, Cerrena, Chaetomium, Coprinus, Cryphoneptria,

Cryptococcus, Curvularia, Cyathus, Geotrichum, Daedalea, Fomes, Fusarium, Halosarpheia, Lactarius, Lentinus, Monocillum, Myceliophtora, Neurospora,

Penicillum, Phanerochaete, Phellinus, Phlebia, Pholiota, Pleurotus, Podospora, Pycnoporus, Pyricularia, Rhizoctonia, Rigidoporus, Schizophyllum, Sclerotium, Scytalidium, Sporotrichum, Stagonospora, Thermoascus, Trichoderma y Trametes, siendo este ltimo el gnero del hongo usado en el presente estudio. Esta presencia indica que las lacasas estn relacionadas con diversas actividades celulares y microbianas. En las plantas son relacionadas con la sntesis de lignina; mientras que en los hongos juegan un papel en la degradacin de la lignina, la esporulacin, la produccin de cuerpos fructferos, produccin de pigmentos, la patognesis en plantas (Yaver y col., 1996; Mansur y col., 1997; Yaver y col., 1999) y con la sntesis de las melaninas en hongos (Galhaup y col., 2002). Las lacasas ms estudiadas actualmente, son las concernientes a los hongos basidiomicetes que pertenecen al grupo de los hongos de podredumbre blanca 6

Antecedentes (Kiiskinen y col., 2004). Son llamados as debido a que degradan la lignina y producen un residuo de color blanco que corresponde a los desechos de celulosa y hemicelulosa que contienen las cortezas (Gonzlez, 2001). En esta clase de hongos se incluyen a las setas y los hongos, que forman cuerpos fructferos en forma de repisas sobre la madera; estas caractersticas tambin incluyen produccin de esporas sexuales en una clula especial llamada basidio y la reproduccin asexual se realiza por conidios o esporas cuando existen estos dos tipos de estructuras (Deacon, 1993). Los basidiomicetos a su vez se dividen en los siguientes ordenes: Auriculariales, Aphyllophorales, Agaricales y Gasteromicetos (Guzmn y col., 1993).

2.2.1. Caractersticas del gnero Trametes Este hongo pertenece al orden de los Aphylophorales superiores y a la familia Polyporacea. Se encuentran dentro de los macromicetes, y como todos los de su orden gozan de una mala reputacin, ya que son considerados como hongos parsitos o patognicos de los bosques porque crecen atacando a varias especies de rboles. Son imputrescibles, conservando su integridad y algunos de ellos crecen en forma laminar sobre la madera, por lo cual son conocidos como repisas de la madera. En el gnero Trametes frecuentemente su receptculo es estacionario, la trama espesa y clara; los tubos huecos son de dimensiones considerables, frecuentemente lameloides, separados por tabiques algo espesos. Sus esporas son hialinas (estructuras parecidas al vidrio) y lisas (Heim, 1957; Zhao y Kwan, 1999). Se pueden clasificar este gnero segn el color de su trama en el sombrero, es decir pueden ser rojos (Trametes cinnabarum), leonados (Trametes odorata), pardo-ocre (Trametes trabea), blancos (Trametes hibosa). Adems pueden tener olor anisado (Trametes odorata), inodoro (Trametes trabea) entre otros. Sus poros pueden ser de colores o simplemente blancos y algunos de forma alargada. Tambin los sombreros tienen una diversidad de formas y colores; dentro de las morfologa de los sombreros se encuentran: vellosos, abollados, fomentosos, pubscentes, espesos, planos entre 7

Antecedentes otros; mientras que el color puede ir desde colores oscuros pasando por colores gris pardo, leonado, gamuza, rojizos, rosas, etc. (Heim, 1957; Herrera y Ulloa, 1990). A continuacin se presentan en la figura 1, un ejemplo de este gnero de hongos.

Figura 1. Trametes hispida

Una de las propiedades de los hongos del gnero Trametes, es la degradacin de la lignina para facilitar la digestin de la celulosa (Henzkill y col., 1998) y entre las enzimas que emplean estos hongos para ese fin se encuentran las llamadas lacasas, porque tienen la capacidad de oxidar a la lignina por medio de la accin de diversos mediadores (Young y col., 1995). Otro aspecto importante en la degradacin de la lignina es la temperatura, ya que se han encontrado grupos de microorganismos mesfilos, termotolerantes y termoflicos que muestran la capacidad de degradarla (Rosenberg, 1978). En el gnero Trametes la gran mayora de sus especies son mesoflicas, debido a que sus temperaturas ptimas de crecimiento se encuentran entre 20 y 40C y que muy pocas especies son termotolerantes, es decir que sus temperaturas de crecimiento son de 50C, aunque tambin pueden crecer a 20C 8

Antecedentes (Madigan y col., 1998; Padilla, Y., 2004). La aplicacin de estos microorganismos en los procesos biotecnolgicos ofrecen varias ventajas como son: el aumentar la velocidad de formacin de producto por la elevada actividad metablica, eliminar o disminuir los sistemas de enfriamiento durante el cultivo, disminuir la densidad, la tensin superficial y la velocidad del cultivo y bajar la produccin de la biomasa pero con altas velocidades de conversin de sustrato a producto. Tambin muchos de estos microorganismos tienen la capacidad de producir lacasas, las cuales presentan diversas propiedades moleculares (Wiegel y Ljungdahl, 1984).

2.3. Propiedades moleculares de las lacasas En algunos anlisis bioqumicos realizados a diversos hongos se ha reportado que una especie individual puede expresar diferente isoformas de lacasas con diversas condiciones para la deteccin de su actividad como son pH ptimo, especificidad de sustrato, peso molecular, localizacin celular y algunas condiciones de cultivo como son: las fuentes de nitrgeno, carbono, fsforo, etc (Fernandez-Larrea y Stahl, 1996; Wahleithner y col., 1996). Por lo anterior, se puede mencionar que cada una de las lacasas tiene condiciones de expresin diversas y distintas propiedades moleculares. En la actualidad se estudian lacasas intracelulares y extracelulares. Las propiedades moleculares que se tienen en estas enzimas son puntos isoelctricos (pI) estando el intervalo de 3.0 a 7.0 en los hongos; mientras que en las lacasas de plantas el pI es generalmente de 9.0. Tambin, se muestra que en electroforesis PAGE, las lacasas tienen pesos moleculares entre los 60 a 100 kDa y entre el 10 - 50% se le atribuye a la glucosilacin. La glucosilacin determina diversos factores en la lacasa como son la secrecin, la susceptibilidad proteoltica, la actividad, la retencin del cobre y termoestabilidad (Slomcynski y col., 1995). El intervalo de pH al que la enzima puede actuar es de 3.0 a 9.0 (Xu y col., 1996; Xu, 1997). En la tabla 1, se presentan algunas propiedades moleculares de las lacasas.

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AntecedentesEspecies Acer pseudoplatanus Agaricus bisporus Armillaria mellea I, II Aspergillus nidulan Botrytis cinerea Cerrena maxima Cerrena unicolor Ceriporiopsis subvermispora I, II Chaetomium thermophile Cryphonectria parasitica Cryptococcus neoformans Fomes annosus Junghuhnia separabilima Lactarius piperatus Lentinula edodes Manduca sexta Monocillium indicum Myceliophthora thermophila Neurospora crassa Phellinus noxius Phlebia radiata Phlebia tremellosa Pholiota mutabilis Pinus taeda Pleurotus ostreatus I, II PM1 Podospora anserina Pycnoporus cinnabarinus Pycnoporus coccineus Rhizoctonia pratocola Rhizoctonia solani Rhus vernicifera Rigidoporus lignosus I, II Schizophyllum commune Scytalidium thermophilum Trametes anisoporus Trametes consors Trametes hirsutus Trametes sanguinea Trametes versicolor I, II Trametes villosa I, III Trichoderma Peso Molecular (kDa) 66 65 59 80 74 67 66 71, 68 36 77 75 73 5862 67 66 7090 72 85 64 70 64 67 64 90 64, 59 64 7080 77 70 78 66 110 53, 52 64 80 58 58 55 62 67, 70 63 72 pI 3.7 4.1, 3.3 4.0 Glycosilacin (%) 40 15 15 12 49

3.4, 4.8

15 24 6

3.5

4.2 6.8 3.5 3.3 9 2.9 3.6 4.9 3.7 3.5 7.5 8.6 3.8, 3.3 5.1

14 12 2

22 13,4 6.5 23 9 8 11 45

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3.5 3.2, 5.6 3.5, 6.5

9.1 14 0.5

Tabla 1. Propiedades moleculares de algunas lacasas en plantas y hongos (Flickinger y Drew, 1999).

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Antecedentes Algunas enzimas ligninolticas pueden ser de carcter termoestable, como es el caso de ciertas lacasas producidas por microorganismos termotolerante comparadas con algunas enzimas producidas por los microorganismos mesoflicos (Xu y col., 1996).

2.3.1. Lacasas termoestables Todos los seres vivos llevan acabo su metabolismo mediante los procesos enzimticos, y los microorganismos termotolerantes y termoflicos no son la excepcin, ya que estos producen enzimas y algunas de ellas resisten temperaturas relativamente altas. La termoestabilidad es una propiedad buscada en estas nuevas enzimas debido a que presentan las siguientes ventajas en procesos industriales: a) algunas de estas enzimas son estables a altas temperaturas (60C); b) se almacenan fcilmente; c) tienen un alto nmero de recambio (kcat), que es estable cuando se aplican altas temperaturas (Weigel y Ljunghdal, 1984); la velocidad de reaccin aproximadamente se duplica al incrementar la temperatura 10C, (Zamost y col., 1991); al incrementar la temperatura se evita la contaminacin del sistema y aumenta la resistencia a los agentes desnaturalizantes (Kristjanssons, 1989). Algunas enzimas lacasa de hongos basidiomicetes muestran una marcada termoestabilidad cercana a los 70C (Coll y col., 1994); existe ya en el mercado una lacasa que fue patentada y es producida por la industria de Novo Nordisk, esta enzima puede mantener el 100% de su actividad durante 20 minutos a 60C (Berka y col., 1997). Otra de las lacasas termoestables es la producida por el rbol de la laca, la cual tolera temperaturas cercanas a los 50 C. Tambin se ha observado que algunas lacasas de hongos pueden ser activadas trmicamente por pre-incubacin a temperatura de 60C (Coll y col., 1993). En 1998, fue aislado el hongo Chaetomium thermophilium a partir de composteo. Este hongo present actividad lacasa cuando fue crecido a 45C en medio slido y medio lquido. La lacasa producida fue estable

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Antecedentes a 70C durante una hora (Chefetz y col., 1998). Recientemente, Kiiskinen y col. (2002) encontraron una lacasa perteneciente al hongo Melanocarpus albomyces, la cual presenta el 100% de actividad a 60C durante 2 h y con ello una buena termoestabilidad. Por otro lado, se ha observado que una de las especies de Peniophora es productora de isoformas termoestables de la enzima lacasa, ya que a 70C la actividad de estas se mantiene durante 15 minutos (Niku-Paavola y col., 2004).

2.3.2. Condiciones de cultivo que afectan la produccin de la enzima lacasa Algunas investigaciones realizadas muestran que el aumento en la actividad lacasa se da cuando los cultivos muestran una baja concentracin de carbono (Kwon y Anderson, 2002). Esto no ocurre con el nitrgeno, ya que las lacasas a una baja concentracin de nitrgeno en el medio se ven reducidas, mientras que algunas otras enzimas como la celobiosa, la celulasa y las peroxidasas su actividad es incrementada (Freigtag y Morrel, 1992). Por otra parte se ha visto que a travs del ayuno del nitrgeno, se produce el estmulo para la degradacin de la lignina en los hongos de podredumbre blanca, aunque no siempre es una regla (Leatham y Kirk, 1983). Asimismo la produccin de lacasas esta influenciada por la concentracin de nitrgeno presente en el medio, ya que se requieren altos niveles de nitrgeno para incrementar la formacin de estas enzimas (Galhaup y col., 2002). Garzillo y col. (1998) realizaron trabajos con Trametes trogii y observaron que al adicionar una fuente de nitrgeno (extracto de levadura) en el medio de hojuelas de maz, el hongo excretaba altos niveles de la enzima lacasa. Un claro ejemplo, es la produccin de la enzima lacasa por Trametes gallica. Este microorganismo se creci usando 20 diferentes medios en condiciones estticas y de agitacin. Los resultados arrojaron que la fuente de nitrgeno orgnico tales como triptona y peptona promovieron fuertemente la produccin de las enzimas. Tambin la aplicacin de una mezcla de aminocidos y una preparacin de lignina increment la produccin de estas enzimas, lo cual no

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Antecedentes ocurri con el extracto de papa. Esto se comprob al someter los extractos a Zimografa, la cual revel un total de 21 bandas de actividad lacasa diferentes. Por lo que concluyeron que dependiendo de la composicin del medio y el modo de incubacin fue posible la expresin del gen para distintas isoformas de lacasa (Dong y col., 2005). Por otro lado, ciertos microorganismos tales como Pycnoporus cinnabarinus P. sanguineus mostraron produccin de estas enzimas con un medio limitante en la fuente de nitrgeno (Pointing y col., 2000). Ciertamente an se tienen algunas controversias con relacin a la influencia de la fuente de nitrgeno en el medio para la formacin de lacasas. Por esta razn en algunos procesos como la decoloracin de efluentes en la industria, se requieren fuentes de nutrientes baratos y efectivos que contengan cantidades altas de nitrgeno para la produccin de lacasas para que el efecto inicial de la fuente de nitrgeno sea aumentar la actividad de la enzima lacasa y as iniciar la oxidacin de diversos colorantes, compuestos fenlicos y sus derivados (Kwon y Anderson, 2002; Couto y col., 2004). La produccin de lacasas es afectada en los procesos de fermentacin por los factores como son: la composicin del medio, la relacin carbono y nitrgeno (C/N), el pH, la temperatura, la proporcin de aire entre otras (Kahraman y Gurdal, 2002; Rodrguez y col., 2002). En hongos se pueden producir lacasas extracelulares, las cuales son originadas en pequeas cantidades. Las condiciones de produccin pueden ser simuladas en presencia de diversas sustancias inductoras como son compuestos fenlicos, aromticos, la lignina derivados de esta tales como el cido ferlico, 2,5- xilidina, p-anisidina o alcohol veratrlico (Galhaup y col., 2002).

2.4. Induccin de lacasas Las lacasas fngicas pueden ser constitutivas o inducibles y tambin, intracelulares o extracelulares (Tellez-Tellez y col., 2005). Estas enzimas han sido detectadas y

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Antecedentes purificadas de distintas especies de hongos, y se ha observado que se producen mltiples isoenzimas (Palmieri y col., 2000). Varias lacasas encontradas son extracelulares y se asocian al crecimiento, por lo cual, se han controlado las condiciones de crecimiento de las especies de hongos utilizados y despus, se ha buscado promover la produccin de las enzimas mediante la utilizacin de inductores. Estos son usualmente compuestos que tienen estructuras muy similares o anlogas a los sustratos de la enzima y a los componentes de la lignina, los cuales sirven como una seal celular para que produzcan alguna enzima especfica (Crowe y Olsson, 2001). En la actualidad, se han estudiado compuestos que tienen la capacidad de funcionar como inductores para la sntesis de lacasas en varias especies de hongos. Un ejemplo es el hongo Coriolus hirsutus, en el cual se ha inducido la sntesis de lacasas extracelulares usando un sustrato de la enzima que es la siringaldazina a una concentracin de 0.11 M y teniendo un aumento cercano al 1000%. Con ello, se obtuvieron dos isoformas de la enzima; las cuales son I1 e I2 con pesos moleculares de 69+ 2 y 67+2 kDa, los pI de cada isoenzima son 3.5 y 4.2, respectivamente. Estas enzimas mostraron un rango de pH ptimo entre 4.4 4.6, a una temperatura optima de 50C, siendo as isoenzimas termoestables (KoroljovaSkorovogatko y col., 1998; Gorbatova y col., 2000). Gigi y col. (1980), obtuvieron mejores resultados de produccin y excrecin mxima de lacasas del hongo Botritis cinerea, al adicionarle cido glico al medio de cultivo, comparado con la ineficacia de otros inductores reportados. Marbach y col. (1983), encontraron que al adicionarle cido cumrico al mismo hongo, tambin se induce la actividad, tal como haba sucedido en cido glico y el jugo de uva, por lo cual, sugiri que el hongo se adapt a diferentes medios excretando as distintas lacasas. En el hongo de podredumbre blanca Pycnoporus cinnabarium, ocurri un efecto de induccin al adicionarle 2,5 xilidina, para una isoenzima que tuvo un PM, 14

Antecedentes determinada por cromatografa de filtracin en gel de aproximadamente de 81 kDa con un contenido de carbohidratos de 9%. El pI fue de 3.7, siendo est enzima tpica de este hongo (Eggert y col., 1996). Los compuestos aromticos varan en su estructura principalmente por la disposicin de los sustituyentes en el anillo aromtico como lo menciona Gonzlez (2001) en su trabajo, quien realiz un estudio con el hongo Trametes sp. I-62. Se aplicaron distintos compuestos aromticos para inducir la sntesis de lacasas por el hongo, obteniendo en sus resultados que los ismeros del alcohol veratrlico (alcohol 3,4 dimetoxibenclico), el alcohol 2,5- dimetoxibenclico y el alcohol 3,5- dimetoxibenclico (diferentes ismeros de un compuesto) tuvieron diferentes capacidades inductoras de la actividad de las lacasas. Otros dos compuestos, el cido p-metoxifenol y el guayacol, provocan tambin la induccin, pero esta tiene variaciones en el momento en que ocurre, tanto en la actividad, como en el crecimiento del hongo. Por otro lado, se ha observado que al adicionar un exceso de cobre al medio de cultivo se provoca aparentemente un efecto de induccin para la produccin de lacasas (Hubert y Lerch, 1987). Como ocurri con el hongo Phanerochaete chrysosporium, al cual se le agreg una concentracin de 0.4 mM de CuSO4 en el medio, generando as un aumento en su actividad lacasa a los 2 y 3 das y se obtuvo una lacasa extracelular con un peso aproximado de 100kDa (Dittmer y col., 1997). El cobre en el hongo comestible Pleurotus ostreatus promueve la expresin de las isoenzimas POXA1b, regulando as el nivel de la transcripcin del gen; siendo el transcripto poxa1b ARNm el ms abundante en la induccin en todos los periodos de crecimiento analizados (Palmieri y col., 2000). En el 2001, Sonden y Dobson (2001) utilizaron varios compuestos (cido ferlico, cido vertrico, 2,5 xilidina, e hidroxibenzotriazol) como inductores para el hongo Pleurotus sajor-caju y con la adicin de cobre para la expresin de la secuencia de los genes Psc lac 1, 2, 3 y 4. Con el cido ferlico y 2,5 xilidina se obtuvo un nivel 15

Antecedentes alto en la transcripcin de los genes Psc lac 1,2 y 4, y el Psc lac 3, fue expresado constitutivamente. A partir de estos estudios de induccin se encontr una relacin con distintos genes que codifican para las enzimas lacasas. Estos datos sirvieron para comprender ms la biologa del hongo. En el hongo de Neurospora crassa se utiliz como inductor a la D-fenilalanina para producir lacasa, por medio del estudio de su ARNm. Se observ tambin su regulacin de la transcripcin. El resultado en los niveles de protena de la actividad lacasa se incrementaron despus de 30 horas, por lo que laD-fenilalanina

actu

como inductor (Linden y col., 1991). Las enzimas lacasas al igual que las peroxidasas son codificadas por complejas familias de genes (Cullen, 1997). Una de las primeras descripciones de los genes que codifican para las lacasas fue realizada por Germann y col. (1988), en el hongo ascomiceto Neurospora crassa. Estos estudios confirman la existencia de diversas isoformas de la enzima lacasa que se producen en varios hongos, demuestra tambin la existencia de mltiples genes de lacasa expresados con diversos inductores. Adems, la expresin de estos genes para la produccin de enzima depende de las condiciones de cultivo y de sistemas diferenciales de regulacin utilizados para su produccin y de la cantidad de inductores utilizados para el incremento de la transcripcin del gen (Faraco y col., 2003).

2.4.1. Genes de lacasas Los genes de lacasas tienen secuencias que muestran un patrn comn y que codifican polipptidos de aproximadamente 520-550 residuos de aminocidos, incluyendo el pptido amino terminal de secrecin. Asimismo, poseen cistenas y residuos de histidinas envolviendo su sitio cataltico a los cuatro tomos de cobre que se encuentran en ese sitio (Sonden y Dobson, 2001). En los ltimos aos, se han realizado estudios acerca de los genes de lacasas, como se especifica con el trabajo

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Antecedentes de Yaver y col. (1996); los cuales aislaron dos genes del hongo Trametes villosa (lcc1 y lcc2). Estos fueron aislados, clonados y secuenciados y los resultados de los anlisis de la secuencia arrojaron que lcc1 y lcc2 tenan 8 y 10 intrones, respectivamente. Adems, obtuvieron un 79% de identidad en el nivel de aminocidos. Por otro lado, se ha secuenciado un gen especifico (lcc1) de lacasa del hongo Trametes sanguinea M 85-2 por medio de cebadores degenerados y PCR. En el proceso de PCR, se obtuvieron los fragmentos amplificados de las regiones I y IV conservadas de los sitios de cobre correspondientes al gen de lacasa. Con estos fragmentos se realiz la PCR para obtener as la amplificacin del ADN genmico del microorganismo de una nica banda de 1,600 pb; siendo esta a su vez clonada dentro de un vector y secuenciada. Finalmente, se secuenci el ADNc obtenido, el cual consista de 518 aminocidos, correspondiendo a 21 aminocidos de pptido seal, se observaron tambin sitios glucosilados y residuos de cistena. Al alinear el ADN genmico con el ADNc se encontr que este gen tena 10 intrones. En la actualidad, los autores mencionan que realizan la expresin heterloga y la medicin de algunos parmetros (Hoshida y col., 2001). En el 2003, Colao y colaboradores, aislaron un gen de lacasa del hongo Trametes trogii a partir del ADNc. Este gen es el lcc1, y transcribe para 517 aminocidos, incluyendo el pptido seal de 21 pb. Al realizar el anlisis de la secuencia muestra que esta enzima esta relacionada a Lac1 del basidiomicete PM1 y Trametes C30 con una similitud del 98%.

Varios genes de lacasa tienen similitudes con los obtenidos de Trametes como el reportado por Palonen y col. (2003), los cuales realizaron el anlisis de la secuencia de dos genes de lacasas (lcc1 y lcc2) correspondientes al ascomicete Mauginiella sp. Se encontr que tenan una alta identidad con los genes lcc1 y lcc2 del basidiomicete Trametes versicolor y Trametes villosa, respectivamente. Anteriormente, Eggert y col. (1998), clonaron y analizaron estructuralmente el gen de lacasa lcc3-1 expresado por 17

Antecedentes Pycnoporus cinabarinus. Los resultados de este ensayo fueron que el ADNc con respecto al ADN genmico eran idnticos excepto por 10 intrones que corresponde a 50 o 60 pb. Mientras que el anlisis indica que el gen contiene un residuo de Phe, el cual tiene influencia en el potencial de oxidoreduccin de la enzima en el cobre tipo I. La secuencia tena un nivel de similitud del 84% con respecto al gen obtenido de Coriolus hirsutus y el tamao del gen fue de 2,390 pb. Adems, de los genes de lacasas obtenidos del gnero Trametes, se han identificado y clonado algunos otros de distintos gneros de microoorganimos, como es el caso del gen de lacasa lcc4 de Volvariella volvacea obtenido a partir del ADNc que consiste de 1,689 pb incluyendo un pptido seal de 23 aminocidos y 540 aminocidos de protena. Esta protena tiene un peso molecular de 58.173 kDa y un pI de 6.1. Contiene 10 residuos de histidina y uno de cistena, el sitio activo de la protena se encuentra conservado. Adems, tiene un alto grado de identidad con otros genes de lacasa de basidiomicetes (Chen y col., 2004). Asimismo Muoz y col. (1997), compararon las secuencia del amino terminal de las lacasas de la especie Pleurotus y las de otros hongos, observando homologa considerable y teniendo diferencia en algunos aminocidos como la treonina, serina e isoleucina, por lo que, se puede mencionar que son isoenzimas codificadas por diferentes genes. Tambin han realizado comparaciones entre genes de lacasas producidos por el mismo organismo, como es el gen pox1 que pertenece al hongo Pleurotus ostreatus y que tiene un tamao de 2,592 pb con secuencias interrumpidas por 19 intrones y tiene la regin de secuencias consenso CAAT y TATA, las cuales se identificaron en la posicin -174 y -84, respectivamente. Tambin se aisl de ADNc el gen pox2. Estos dos genes tiene el 84% de similitud y corresponden a dos isoformas de lacasa de P. ostreatus (Giardina y col., 1995). Existen reportes de otros hongos basidiomicetes como Fomes lignosus, del cual a partir del ADNc fue rastreado y aislado el gen de lacasa; este gen contiene 1,557 bp y la protena consiste de 497 aminocidos precedindolo un pptido seal de 21 18

Antecedentes aminocidos, as mismo el ADN genmico contiene 11 intrones y fue clonado en los vectores pGAPZA y pGAPZA y expresada en Pichi pastori GS115. En presencia de cobre (0.4mM) se obtuvo la actividad ptima, siendo estable la lacasa en el rango de pH de 6.0 a 10.0, con un peso molecular de 66.5 kDa y los valores de KM y Vmax son 177 M y 23.54 mol/min, respectivamente. Por otra parte, al purificar la enzima se obtuvo que el grado de glicosilacin es 58.6% (Liu y col., 2003). Tambin se han aislado genes de hongos y se han expresado en otros microorganismos como son los siguientes. En 1996, se aislaron a partir del ADNc y ADN genmico cuatro genes (lcc1, lcc2, lcc3 y lcc4) del hongo Rhizoctonia solani. Tres de estos genes fueron expresados en Aspergillus oryzae de los cuales dos de las protenas recombinates r-lcc1 y r-lcc4 fueron purificadas y caracterizadas. Los resultados de la purificacin mostraron que lcc4 tenia un peso molecular de 66 kDa; mientras que la protena lcc1 tena un peso entre 50 y 100 kDa. Finalmente, la actividad ptima para lcc4 se present a un pH de 7 y para lcc1 fue un pH de 6 (Wahleithner y col., 1996). En 1997, se aisl y secuenci el gen de lacasa del hongo termoflico Miceliophthora thermophila. El gen MtL mostr una gran homologa con otros gneros de hongos. El gen fue expresado en forma heterloga en Aspergillus oryzae. La lacasa recombinante obtenida present un peso molecular de 85 kDa por medio de electroforesis en gel. El anlisis de carbohidratos mostr que tenia del 40 al 60% de glicosilacin y por ltimo, se determin actividad con sirigaldazina como sustrato; los resultados muestran que el pH ptimo para la actividad mxima fue de 6.5 (Berka y col., 1997). De la misma forma Xu y col. (1998), observaron que las lacasas de Coprinus cinereus, son activadas a pH alcalino, la cual puede ser una propiedad muy importante para ser aplicada en procesos biotecnolgicos. Para demostrar la diversidad de enzimas, se obtuvieron las secuencias y clonaron tres genes de lacasas del hongo (lcc1, lcc2 y lcc3) y se demostr que la protena lcc1, contiene 7 intrones que comparado con los genes de lacasas lcc2 y lcc3, el gen es ms 19

Antecedentes pequeo, debido a que los genes lcc2 y lcc3 contienen 13 intrones. En la prediccin de las protenas de los genes lcc1, lcc2 y lcc3, muestran que la identidad se encuentra entre el 58 y 80% en el nivel de aminocidos de las tres protenas. Por otra parte, se expreso el gen lcc1 en Aspergillus oryzae y fue purificado. Los resultados de la purificacin mostraron que la protena del gen lcc1 tuvo un peso molecular aparente de 66 kDa por medio de geles de poliacrilamida y su absorcin mxima fue a 278 y 614 nm. (Yaver y col. 1999). En la actualidad, las lacasas se han utilizado en la industria para la degradacin de los altos contenidos de compuestos fenlicos en sus efluentes, para la degradacin de la lignina o la eliminacin de compuestos txicos entre otros procesos de degradacin (Berka y col., 1997; Temp y Eggert, 1999). Recientemente, se han encontrado sitios de mutagnesis que ejecutan o modulan la actividad y el potencial redox de las lacasas, permitiendo as, que se pueda manipular genticamente la capacidad cataltica de las lacasas (Koroleva y col., 2001), por lo que esto podra significar el mejoramiento de los procesos de degradacin de compuestos en la industria por medio de la utilizacin de la lacasa.

2.5. Aplicaciones industriales de las lacasas El inters de la lacasa en la industria enzimtica es incrementar su potencial para degradar los compuestos fenlicos altamente txicos y la lignina. Algunas aplicaciones de la lacasas en la biocatlisis son la deslignificacin y decoloracin de lignocelulosa; siendo el tratamiento de igual forma para las aguas residuales de la industria papelera, donde es utilizada la lacasa como agente de bioblanqueo (Dsouza y col., 1996; Singh y Kaur, 2001; Tinoco y col., 2001); tambin es manejada para la polimerizacin de sacridos basandose en las propiedades de oxidacin de la lignina, ha sido manipulada la lacasa como agente bioaglutinante (Milstein y col., 1993). Adems se ha utilizado en la descontaminacin y destoxificacin de efluentes con compuestos aromticos contaminantes; as como de suelos contaminados

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Antecedentes (Antorini y col., 2002). La lacasa en la biocatlisis, es empleada en la industria textil para el blanqueado en seco de las telas, en especial el algodn; ya que reduce el tiempo, la energa y el agua del proceso. Finalmente la lacasa, se maneja en el cuidado mdico y personal, ya que es utilizado para contrarrestar toxinas que producen dermatitis o derivados del catecol, entre otros (Flickinger y Drew, 1999). La lacasa tambin es utilizada como biosensor en la deteccin de fenol, anilina, oxgeno y otras sustancias; estos procesos de localizacin de compuestos, son basados en el poder de la reoxidacin de la lacasas, por el cambio del voltaje en la electrocatlisis y por el cambio fotomtrico que es resultado de la oxidacin de sustancias (Gardiol y col., 1998). La lacasa es empleada en ensayos enzimticos e inmunolgicos, a travs de cambios fsicos detectables o de formacin de productos de catlisis. Otro uso de la enzima es en la sntesis orgnica y mdica; en las cuales producen desarrollan compuestos incluyendo polmeros con propiedades mecnicas, elctricas, pticas; textiles, pigmentos para cosmticos, agentes mdicos complejos, antibiticos como las cfalosporinas entre otros (Cai y col., 1993; Ikeda y col., 1996). Por ultimo, la enzima lacasa se ha aplicado en tratamientos de bebidas y alimentos, al igual que se han empleado para eliminar compuestos fenlicos formados durante el procesamiento de bebidas, es decir, se utiliza para absorber agentes txicos; tambin puede proveer de aroma, color, sabor y estabilidad a los jugos o otras bebidas. En los alimentos puede eliminar el oxgeno que interfiere en algn proceso y es importante esta enzima para la desulfuracin de los combustibles fsiles (Villaseor y col., 2004).

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Antecedentes 2.6. Trametes sp. EUM1: un potencial microorganismo para la produccin de lacasas termoestables El hongo termotolerante Trametes sp. EUM1, fue aislado en Yucatn junto con otros siete hongos silvestres por Medina (2000). Estos fueron obtenidos a partir de desechos ligninocelulsicos de madera, y se crecieron en el laboratorio a 45C para obtener microorganismos termotolerantes termoflicos. Por otro lado, este hongo fue seleccionado debido a que presentaba halos de oxidacin con el sustrato ABTS por debajo de la colonia que indicaba la produccin de lacasas. Adems se observ microscpicamente que se presentaron diferentes caractersticas en las conidias, los cuales pertenecan a los gneros Trametes y Penicillum (Medina, 2000). A partir de estos estudios realizados, se comenz la bsqueda de lacasas en el hongo termofilico. Los resultados con Trametes permitieron detectar la actividad lacasa en medios de cultivo de Bran Flakes (hojuelas de salvado de trigo) al 3% (650 U/L), que era 35 veces mayor a la actividad producida en medio de extracto de malta. Adems, se purificaron 2 isoformas con puntos isoelctricos de 6 y 4, a los que se les nombr lacasa 1 y lacasa 2, respectivamente. Tambin, se sometieron los extractos a pruebas de pH, siendo su actividad ptima a pH de 4, pero estable en un rango de pH (4 a 10) durante una hora, conservando casi el 100% de actividad. Por otra parte, se obtuvieron los parmetros cinticos de la lacasa 2, como es la KM (0.0125mM), VMAX (1.52 U/L) y kcat (4239 min-1) a la temperatura de 40C. A esta enzima se midi su resistencia a solvente durante una hora y los resultados fueron que la enzima conserv el 52% de su actividad en etanol al 20% y el 30% de su actividad se conserv en acetonitrilo, (Medina, 2003). Estudios recientes realizados por Mrquez (2004) con Trametes sp. EUM1 se han vinculado con la induccin al hongo Trametes sp. EUM1 para la produccin de lacasas y la termoestabilidad de las enzimas. Los resultados mostraron que el hongo tiene actividad de lacasa cuando se agreg al medio cido ferlico o cido vertrico 22

Antecedentes como inductores; mientras que con cido tnico y el catecol, se inhibi la produccin de las lacasas. En lo que respecta a la termoestabilidad, se sometieron los extractos obtenidos de una fermentacin lquida a 60C durante 1 hora y los resultados fueron que estos extractos conservan el 85% de su actividad despus de una hora. Lo que indic que se tena al menos una enzima lacasa termoestable a 60C (Mrquez, 2004). Como ya se ha mencionado que diversos microorganismos son productores de la enzima lacasa. Uno de estos es el gnero Trametes, el cual crece en cultivos puros o mezclas con altas concentraciones de nitrgeno en el medio (26mM) y con ello se aumenta la formacin de la enzima lacasa (Buswell y col., 1995). Otra caracterstica de estos hongos de podredumbre blanca, es la produccin de un gran nmero de isoformas de la enzima que son promovidas por una familia de genes (Dong y col., 1997; Collins y Dobson, 1997) que son expresados de forma diferencial dependiendo de las condiciones de crecimiento de los microorganismos (Colao y col., 2003). Adems se han buscado microorganismos termotolerantes y termoflicos con la capacidad de crecer a temperaturas altas (45C) y producir y Leudes, 2003). as lacasas termoestables que puedan ser importantes en las aplicaciones industriales (Jordaan

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Justificacin

3. JUSTIFICACINLas lacasas son de gran importancia en la actualidad, ya que tienen aplicacin en varias ramas de la industria para la oxidacin de diversos compuestos contaminantes encontrados, tanto en los suelos como los efluentes producidos por las industrias (Suresh y col., 2003). La termoestabilidad en las enzimas permite que se reduzca la cantidad de enzima utilizada durante los procesos (Kristjansson, 1989). En comparacin con las lacasas producidas en las plantas; tambin, las lacasas de los hongos basidiomicetes muestran una remarcada termoestabilidad y pueden ser activadas trmicamente por preincubacin a temperaturas por encima de los 60C (Koroleva y col., 2001). Por esta razn, se investiga la manera de producir estas enzimas con propiedades de inters como la termoestabilidad y la resistencia a solventes y en mayor cantidad, teniendo as una mayor aplicacin en los procesos industriales y biotecnolgicos.

Como ya se sabe que hay una gran diversidad de inductores para diversas isoformas de lacasas y con distintas especies de basidiomicetos, es preciso investigar cual es la mejor fuente de nitrgeno que induzca la isoforma de la enzima lacasa termoestable de Trametes sp. EUM1, ya que se ha observado que la concentracin de nitrgeno en el medio de cultivo tiene influencia en el microorganismo para la induccin de las isoformas de la enzima lacasa. As tambin se pretende formular medios definidos que faciliten los cultivos bajo condiciones controladas y obtener el perfil de isoformas de lacasas por medio de Zimografa para comenzar el rastreo de los genes que codifiquen para las lacasas en el hongo termotolerante Trametes sp. EUM1 y consecutivamente, se puedan expresar en algn vector y as mejorar la produccin de estas enzimas.

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Hiptesis y Objetivos

4. HIPTESIS

El tipo de la fuente de nitrgeno tiene un efecto en la expresin de las distintas lacasas del hongo Trametes sp. EUM1. Las propiedades de cada extracto crudo con lacasas diferentes pueden estimarse midiendo la estabilidad trmica de las isoformas producidas. Simultneamente se tendr la posibilidad de identificar y clonar fragmentos del ADN genmico del hongo que puedan pertenecer al gen o los genes de la enzima lacasa.

5. OBJETIVO GENERAL

Identificacin de los perfiles de produccin y termoestabilidad de lacasas del hongo Trametes sp. EUM1 bajo diferentes condiciones.

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Hiptesis y Objetivos

6. OBJETIVOS PARTICULARES

Evaluacin de la actividad enzimtica de las lacasas de Trametes sp. EUM1.

Identificacin de las isoformas termoestables de las lacasa en el hongo Trametes sp.

Diseo de cebadores especficos a partir de regiones conservadas de los genes de lacasas.

Amplificacin a travs de la PCR y purificacin de los fragmentos del gen de una lacasa.

Construccin de la genoteca de ADNc a partir de los cultivos que expresen lacasas termoestables.

Secuenciacin y anlisis de los fragmentos obtenidos.

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Materiales y Mtodos

7. MATERIALES Y METODOS

7.1. Microorganismos 7.1.1. Hongos. El hongo en estudio para este proyecto fue el basidiomicete Trametes sp. EUM1, obtenido de la coleccin de la Universidad Autnoma Iztapalapa y fue aislado en Mrida, Yucatn por Medina (2003). 7.1.2. Bacterias. El microorganismo utilizado para las clonaciones en el vector pGEM fue la cepa Escherichia coli JM109, adquirida a Promega, como parte del sistema pGEM-T Easy Vector Systems II (Referencia A3610). Esta cepa que contiene integrado de forma estable en su cromosoma el gen que codifica para la ARN polimerasa del bacterifago T7 (gen 1), expresado bajo el promotor lac UV5 (inducible por medio de IPTG). Genotipo Escherichia coli JM 109: endA1, recA1, gyrA96, hsdR17(rk- mk+), thi relA1, supE44, (lac-proAB) [F traD36, proAB, laclqZ M15] (DE). Para el manejo de la genoteca de ADNc se us el vector TriplEx2 y los microorganismos Escherichia coli XL1-Blue y BM 25.8 que se utilizaron para la titulacin y la conversin del bacterifago a plsmido, respectivamente. Estos fueron adquiridos de Clontech, como parte del sistema SMART Construction Kit con la referencia PT3000-1(PR15738). Genotipo Escherichia coli XL1-Blue: endA1, gyrA96, hsdR17, lac-, recA1, relA1, supE44, thi-1, [F laclqZ M15, proAB, Tn 10]. La modificacin Tn 10, confiere resistencia a tetraciclina a la cepa.TM

cDNA Library

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Materiales y Mtodos

Genotipo de Escherichia coli BM25.8: supE44, thi (lac-proAB) [F traD36, proAB+, laclqZ M15] imm434 (kanR)P1 (camR) hsdR (rk12- mk12-). La cepa es lisognica para el fago y P1, se usa esta cepa para la sub-clonacin automtica y fue conservada en glicerol al 20% a -80C. 7.2. Medios de cultivo para bacterias 7.2.1. Medio Luria Bertani (LB). Utilizado para el crecimiento y mantenimiento de la cepa de Escherichia coli (Sambrook y col., 1989).

Reactivo Bacto-triptona NaCl Extracto de levadura Agua destilada

Cantidad 10.0 g 10.0 g 5.0 g Hasta 1L

Se adicionaron 20 gramos de agar bacteriolgico para el medio LA. Se ajust el pH a 7.5 y se esteriliz. Para el caso de la seleccin de las transformantes por resistencia a antibiticos, se sigui el protocolo proporcionado por el proveedor (Technical Manual de pGEM-T Easy Vector Systems producido por Promega). En este protocolo se utiliz medio LB adicionado con ampicilina que fue previamente esterilizada por filtracin obtenindose una concentracin final de 100 g/mL. Adems, se emple IPTG y XGal para la seleccin de transformantes por colonias azul-blanco a concentraciones finales de 0.5 mM y 80 g/mL, respectivamente. 7.2.2. Medio NZY/MgSO4. Utilizado para el crecimiento de E. coli XL1-Blue, con el fin de obtener las placas de lisis con el bacterifago TriplEx2 (Sambrook y col., 1989).

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Materiales y Mtodos

Reactivo NZ Amino Extracto de levadura NaCl MgSO4 Agua destilada

Cantidad 10.0 g 5.0 g 5.0 g 2.0 g Hasta 1L

Para el medio NZY slido, se agregaron 15 gramos de agar para su solidificacin y para el medio NZY TOP se agregaron 7.2 gr de agar por litro de medio. El pH se ajust a 7.5, para cualquiera de los caso. 7.2.3. Medio Terrific Broth (TB). Utilizado para promover el crecimiento de E. coli, con el fin de obtener el ADN plsmidico (Sambrook y col., 1989).

Reactivo Bacto-triptona NaCl Glicerol Agua destilada

Cantidad 24.0 g 12.0 g 4.0 mL Hasta 900 mL

Una vez conseguido el volumen se esteriliza por medio de autoclave, se aaden 100 mL de una solucin estril de KH2PO4 170 mM y K2HPO4 720 mM para conseguir el volumen final de un litro. 7.3. Medios de cultivo para hongos

7.3.1. Medio Kirk (Kirk et al., 1986). Este es un medio definido, limitado en nitrgeno, el cual contiene:

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Materiales y Mtodos

Medio: Reactivo Cantidad

Solucin de elementos traza: Cantidad 1.50 g 0.50 g 1.00 g 0.10 g 0.10 g 0.10 g 0.01 g 0.01 g 0.01 g 0.01 g Hasta 1L

Reactivo cido nitriloactico MnSO4 * H2O NaCl Glucosa 10.00 g FeSO4 * 7H2O Tartrato de Amonio* 0.20 g CoCl2 MgSO4 7H2O 0.50 g ZnSO4 * 7H2O KH2PO4 2.00 g CuSO4 * 5H2O CaCl2 0.10 g AlKSO4 * 12H2O Tiamina HCl 1.0 mg H3BO3 Sol. de Elementos Traza 10.0 mL NaMoO4 * 2H2O Agua destilada Hasta 1L Agua Destilada Para el medio Kirk slido, se agregaron 20 gramos de agar bacteriolgico.

* Nota: El medio Kirk presenta una relacin C/N de 133 y una relacin de C/P de 8.8. Por otro lado, el tartrato de amonio fue reemplazado como fuente de nitrgeno por peptona de casena para el ensayo de fermentacin lquida sin agitacin. 7.3.2. Medio de Malta. Este es utilizado para la produccin de micelio, propagacin y conservacin del hongo. Contiene Extracto de malta al 2 % (20 g/L). Para el medio slido se agregan 20 g/L de agar bacteriolgico. Se esteriliza por medio de autoclave a 120C durante 15 minutos (Sambrook y col., 1989). 7.4. Ensayo de fermentacin lquida sin agitacin 7.4.1. Mtodo. Se realizaron pruebas por duplicado para el medio Kirk con las

distintas fuentes de nitrgeno (Tartrato y Peptona); siendo el medio Kirk adicionado con tartrato el testigo. Para ello, se agregaron 100 mL de cada uno de los medios en matraces Erlenmeyer de 500mL. A este medio, se le agreg un pre-inculo el cual contena el micelio del hongo Trametes sp. EUM1, correspondiente al 10% del volumen total del medio de cultivo. Las condiciones de incubacin en las que se mantuvo el ensayo, fueron: a una temperatura de 39C, sin agitacin, durante 30 30

Materiales y Mtodos das (Mrquez, 2004). Se tomaron muestras del extracto enzimtico de 15 mL durante el desarrollo miceliar cada 5 das para determinar la actividad enzimtica de las lacasas en el medio durante la fermentacin. 7.4.2. Determinaciones analticas 7.4.2.1. Actividad Enzimtica. Se determin usando ABTS 5 mM como sustrato con un amortiguador buffer de acetato de sodio 100 mM a pH= 4.5 y temperatura ambiente. La absorbancia fue medida a una longitud de onda de 436 nm, durante 1 minuto. El coeficiente de extincin molar del producto (radical catinico del ABTS) es 436nm = 2.93 X104 M-1cm-1 (Wolfenden, 1982); Una unidad enzimtica se define, como la cantidad de enzima que forma 1.0 mol de producto por minuto bajo las condiciones ensayadas. 7.4.2.2. Determinacin de la termoestabilidad. Durante el periodo de incubacin y de generacin del micelio se tomaron muestras de 15 mL cada cinco das de cada uno de los matraces y se filtraron para eliminar el micelio presente. Despus se tom una muestra de 5mL de cada uno de los filtrados y se depositaron en tubos de ensayo con rosca para su incubacin en un bao Mara con temperatura controlada a 60C, 70C o 80C, durante una hora (Mrquez, 2004). Transcurrido el tiempo, las muestras se sacaron las muestras del bao mara y se enfriaron a temperatura ambiente. Por ltimo, se determin la actividad enzimtica, para cada una de las muestras provenientes de los tratamientos trmicos y se calcul el porcentaje de la enzima activa presente en los extractos enzimticos. 7.4.2.3. Preparacin de los extractos enzimticos y la enzima comercial. La enzima que fue utilizada como control fue obtenida de Novo Nordisk, la cual fue separada por precipitacin con acetona fra, a partir de la preparacin comercial llamada DeniLite II S segn Villaseor y col. (2004); Esta preparacin contiene la 31

Materiales y Mtodos enzima lacasa de Myceliopthtora termophila, clonada en Aspergillus oryzae (EC 1.10.3.2) (Berka y col., 1997). Una vez precipitada la enzima comercial, se disolvi en agua destilada obteniendo una concentracin final de protena de 100 mg/mL, posteriormente se centrifug a 10,000 rpm a temperatura ambiente durante 30 min. Finalmente se decant y el sobrenadante se filtr por una membrana millipore de 0.45 m, para finalmente colocarlo en un bao de hielo.

Los extractos enzimticos fueron colectados cada 5 das a partir de la realizacin de una cintica con el hongo Trametes sp. EUM1 a 39C desarrollado durante 30 das. Se concentraron a travs de membranas de nylon (Sigma) y por medio de una cama de sacarosa. Posteriormente las membranas se lavaron con buffer de acetatos 100 mM a pH 5. Una vez concentradas las muestras obtenidas, se juntaron en una sola fraccin y se precipitaron con acetona fra. 7.4.2.4. Precipitacin con acetona fra. Esta tcnica se realiz agregando, poco a poco y con agitacin constante, la acetona previamente enfriada a -80C en el ultracongelador, hasta alcanzar, un 85% en volumen, concentracin a la cual precipita casi la totalidad de la protena de la enzima lacasa. Se centrifug a 10,000 rpm a una temperatura de -10C por 20 min. El precipitado se lav con acetona fra. Se centrifug nuevamente a las mismas condiciones y se recuper el precipitado evaporando el excedente de acetona.

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Materiales y Mtodos 7.5. Zimogramas 7.5.1. Mtodo. La tcnica de zimografa se realiz mediante una electroforesis en condiciones nativas, y se revel el gel con un sustrato especfico para la actividad enzimtica en estudio. El sustrato utilizado para revelar los zimogramas de lacasa fue el ABTS (Tllez-Tllez y col., 2005). La electroforesis se realiz en geles de poliacrilamida en condiciones no desnaturalizantes, en cubetas Mini-Protean (Bio-Rad). La concentracin de poliacrilamida fue del 4% en el gel concentrador y del 12% en el separador. Se carg un volumen de 15L de las muestras colectadas y concentradas durante el crecimiento de la cepa EUM1, colocando una misma concentracin de protenas en todas las muestras (10L de protena/mL) y se aplic un voltaje constante de 180V, hasta que el frente formado por la migracin del azul de bromofenol alcanzo el otro extremo del gel (aproximadamente una hora). Se utiliz el marcador preteido para SDS-PAGE de Bio-Rad que comprende un rango de peso molecular de 20,700 a 107,000 daltons. Para realizar el revelado, el gel se equilibr previamente con un amortiguador de acetatos 0.1 M (pH 5.0). Se agit durante 20 minutos, tras lo cual se aadi ABTS 10 mM diluido en tampn de acetatos 0.1 M (pH 5.0). El gel fue incubado hasta la aparicin de las bandas azules caractersticas de la actividad lacasa en presencia de este sustrato, y se detuvo la reaccin lavando el gel con el mismo amortiguador de acetatos sin ABTS. 7.5.2. Soluciones para la realizacin de los zimogramas. A continuacin se presentan las soluciones utilizadas para el gel de poliacrilamida:

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Materiales y Mtodos

Solucin A

ReactivoArchilamida/bis (30% T, 2.67% C) N, N-bis-metilenacrilamida Agua desionizada

Cantidad29.5 g 0.8 g Hasta 100 mL

* Se almacena a 4C durante 30 das mximo.

Solucin B

Reactivo1.5M Tris-HCl pH 8.8 Tris-Base Agua desionizada

Cantidad18.15 g Hasta 100 mL

* Ajustar pH 8.8 con HCL 6N y almacenar a 4C.

Solucin C

Reactivo0.5M Tris-HCl pH 6.8 Tris-Base Agua desionizada

Cantidad6g Hasta 100 mL

* Ajustar pH 6.8 con HCL 6N y almacenar a 4C.

Solucin

ReactivoBuffer de Muestra 0.5M Tris-HCl pH 6.8

Cantidad5 mL 4 mL 2 mL Hasta 40 mL

D

Glicerol 1% de azul de bromofenol (0.1g/ 10mL) Agua desionizada

* Diluir la muestra 1:4. Se almacena a 4C.

Solucin

ReactivoBuffer de Corrida 5X pH 8.3 Tris-Base Glicina Agua desionizada

Cantidad15 g 72 g Hasta 1 L

E

* Agregar los reactivos y agitar levemente, almacenar a 4C. Si ocurre precipitacin incubar a temperatura ambiente.

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Materiales y Mtodos

7.5.3. Preparacin del gel de separacin. A continuacin, se presenta las cantidades necesarias para la preparacin del gel de separacin al 12 %.

Reactivo Agua destilada 1.5M Tris-HCl (pH 8.8) Archilamida/bis (30%) Persulfato de amonio 10% (Fresco)* TEMED Volumen Total

12 % 2.45 mL 2.50 mL 4.00 mL 50 L 5 L 10 mL

*Para hacer el persulfato de amonio al 10% (disolver 100mg de APS en 1 mL de agua desionizada).

7.5.4. Preparacin del gel concentrador. En seguida, se presentan los volmenes a utilizar de cada uno de los reactivos para la preparacin del gel concentrador.

Reactivo Agua destilada 0.5M Tris-HCl (pH 6.8) Archilamida/bis (30%) Persulfato de amonio 10% (Fresco) TEMED Volumen Total

4% 6.10 mL 2.50 mL 1.34 mL 50 L 10 L 10 mL

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Materiales y Mtodos

7.6. Tcnicas de Biologa Molecular 7.6.1. Obtencin de ADN 7.6.1.1. Obtencin de ADN genmico. En primer lugar se creci el hongo durante 20 das y el micelio fue eliminado por filtracin. A continuacin el micelio fue lavado con agua destilada estril, se exprimi para eliminar el exceso de agua y se liofiliz, para mantenerlo de esta forma en un desecador hasta su uso. Para la extraccin de ADN, se tritur el micelio liofilizado en un mortero; pesndose despus 50 mg y se resuspendieron en 500 L de las solucin 1 (10 mM de Hepes pH a 6.9, 0.5 mM de sacarosa y 20 mM de EDTA) homogenizndose y agregando 50 L de SDS 10 % para su incubacin a 65 C durante 30 minutos. Despus de este tiempo se diluy con 500 L de solucin 2 (50 mM de Tris-HCl pH 8 y 50 mM de EDTA) y se agit suavemente durante 1 minuto. Posteriormente, se agreg 1 mL de la mezcla de fenol: cloroformo: alcohol isoamilico (25:24:1) agitndose durante 3 minutos y se centrifugo durante 15 minutos a 12,000 rpm. La fase superior se coloc en un tubo limpio y se lav con la solucin cloroformo: isoamilico (24:1). Una vez realizado el paso anterior, se mezcl y centrifug a 12,000 rpm, durante 15 minutos y la fase superior se paso a un tubo limpio, en donde se aadi 1 mL de etanol al 100 % enfriado previamente a -20 C y se dej a esta temperatura durante 2 horas, para centrifugarse despus a las mismas condiciones. Se decant el sobrenadante dejando solamente la pastilla formada al fondo del tubo. Se lav con 1 mL de etanol al 70 % y se centrifug a 12,000 rpm durante 10 minutos; pasado ese tiempo se decant y se dej secar durante 30 minutos a temperatura ambiente. Resuspendindose despus en 500 L de agua desionizada estril. Para la eliminacin del ARN se agreg 1 L de RNasa (10mg/mL), se incub a 37 C durante media hora, adicionando despus de este 36

Materiales y Mtodos tiempo 10L de acetato de sodio 4.0 M pH 3.0, se mezcl suavemente, aadindose despus 1 mL de etanol al 100 %, centrifugndose despus. Por ltimo, se adicion 1mL de etanol al 70 % y se centrifug. El pellet fue resuspendido en 30 L de agua desionizada estril. 7.6.1.2. Obtencin de ADN plsmidico. Se obtuvo mediante la realizacin de minipreparaciones, el mtodo que consiste en picar cada colonia con un palillo estril pasndola a un tubo Eppendorf que contena 1 mL de medio TB con antibitico a la concentracin requerida. Se incub a 37C durante 6 o 7 horas con agitacin (250 rpm). Despus se centrifug a 3,000 rpm durante 3 minutos. Se desech el sobrenadante y se conserv el precipitado que se resuspendi en 350 L de solucin STET (EDTA 50mM pH 8.0, Sacarosa al 8%(p/v), Tris-HCl 10mM pH 8.0 y Tritn X100 al 0.5%(v/v)) y se aadi 10 L de una solucin de lisozima de 10 mg/mL en agua. Se mezcl durante 30 segundos y se someti a calentamiento con agua hirviente durante 45 segundos. Una vez pasado este tiempo se sac y se centrifug durante 10 minutos a 14000 rpm. Terminado el paso anterior, se elimin con ayuda de un palillo los residuos de protenas que se encontraban al fondo del tubo. El ADN plsmidico se precipit con 40 L de acetato de sodio 3 M pH 5.2 y 600 L de alcohol isoproplico y se dej a temperatura ambiente durante 15 minutos; pasados los 15 minutos se centrifug a 14,000 rpm durante 5 minutos desechando despus el sobrenadante y lavando con etanol al 70 %. Por ltimo, se dej secar y se resuspendi en agua desionizada estril. La tcnica de mega-preparaciones se utiliz normalmente para aquellos experimentos en los que se requera una gran cantidad de ADN fcilmente digerible. En las mega preparaciones se inoculan 100 mL de medio TB con la colonia que porta el plsmido que queremos amplificar, de la misma forma descrita para las minipreparaciones. Tras este tiempo se recogen las clulas mediante centrifugacin a 5,000 rpm durante 3 minutos. El precipitado obtenido se resuspende en 6 mL de STET y la suspensin de bacterias se reparte en alcuotas de 350 L. Los pasos que 37

Materiales y Mtodos se siguen a continuacin son ligeras modificaciones de los realizados en las minipreparaciones. A cada tubo se le aaden 20 L de una solucin de lisozima preparada a una concentracin de 10 mg/mL en agua. Se mezcla durante 30 segundos y se hierve durante 45 segundos. Las protenas, restos celulares y el ADN cromosmico bacteriano se precipitan por centrifugacin a 14,000 rpm durante 15 minutos y se eliminan con la ayuda de un palillo estril. El precipitado blando que se obtiene en este caso ocupa gran parte del tubo y es muy importante eliminarlo completamente. El ADN plasmdico se precipita tras aadir 40 L de acetato sdico 3M pH 5.2 y 600 L de isopropanol, mezclar y mantener a temperatura ambiente durante 15 minutos. Este tiempo puede reducirse debido a la gran cantidad de ADN obtenido por este mtodo. El ADN se centrifuga a 14,000 rpm durante 5 minutos y el precipitado se lava con etanol a concentracin de 70 % (v/v). Posteriormente se seca y el precipitado correspondiente a cada alcuota se resuspende en 100 L de TE. Tras la resuspensin del ADN, se renen todas las fracciones en un mismo tubo y se limpia la solucin de ADN mediante fenolizacin. Posteriormente se precipitar de acuerdo a los mtodos habituales y se resuspender en un volumen adecuado de TE (EDTA 1 mM y Tris-HCl 10 mM pH 8.0) (Serrano y col., 1993). 7.6.1.3. Obtencin del ADN de bacterifago. Para la obtencin del ADN del bacterifago se requiere una infeccin en medio lquido y para ello se mezclan 109 clulas de E. coli con un numero 100 veces menor de bacterifago (107 pfu), incubndose a 37C durante 30 minutos sin agitacin. Transcurrido el periodo de incubacin se inocula la infeccin en un matraz de 500 mL de volumen con 100 mL de medio LB con MgSO4 10 mM y maltosa al 2 % (precalentado a 37C durante el transcurso de la infeccin) y se mantiene a 37C con agitacin de 200 rpm y el tiempo necesario para que se produzca la lisis total del 38

Materiales y Mtodos cultivo bacteriano (entre 5 y 6 horas). Es importante parar la incubacin cuando el grado de lisis conseguido sea mximo, pues si la incubacin continua se producir la aparicin en el cultivo de clulas de E. coli resistentes a la accin de los bacterifagos. El lisado obtenido en el paso anterior se incuba a 37 C durante 30 minutos con 200 L de la solucin A (ARNasa A / ADNasa I proporcin 20/1 mg/mL, BSA 0.2 mg/mL, EDTA 10 mM, NaCl 300 mM y Tris-HCl 100 mM pH 7.5). Se pasa a travs de un filtro de nylon de 30 m de dimetro de poro para eliminar los restos celulares. El filtrado se recoge en un tubo de centrifuga y se aaden 20 mL de la solucin B (NaCl 3.0 M y PEG 6,000 al 30 % (p/v)) previamente enfriada. La mezcla se incuba en hielo durante 60 minutos. Se centrifuga a 4 C y 8,000 rpm, durante 10 minutos para precipitar las partculas de bacterifago y se desecha el sobrenadante tras el final de la centrifugacin. El precipitado obtenido en el paso anterior, se distribuye a lo largo de la pared del tubo y se resuspende suavemente en 6 mL de la solucin C (EDTA 25 mM, NaCl 100 mM y Tris-HCl 100 mM pH 7.5), aadindose a continuacin 6 mL de la solucin D (SDS al 4% (p/v)), se mezcla con cuidado y se incuba a 65C durante 20 minutos, enfrindose posteriormente la mezcla en un bao de hielo y agua. El paso siguiente consiste en adicionar 6 mL de la solucin E (Acetato potsico 2.55 M pH 4.8). La mezcla se agita vigorosamente y se mantiene en hielo durante 15 minutos. Se centrifuga a 4 C y 15,000 rpm durante 10 minutos .Se recoge el sobrenadante en un tubo y se precipita el ADN a continuacin con 0.7 volmenes de isopropanol. Posteriormente se centrifuga a temperatura ambiente a 8,000 rpm durante 20 minutos y el precipitado se lava con etanol al 70% (v/v). Se centrifuga a las mismas 39

Materiales y Mtodos condiciones eliminndose el sobrenadante y se seca el precipitado. Una vez seco, el ADN se resuspende en 50 L de TE (EDTA 1 mM y Tris-HCl 10 mM pH 8.0) (Serrano y col., 1993). 7.6.1.4. Cuantificacin de ADN. La cuantificacin de la concentracin del ADN se realiz por espectrofotometra leyendo la absorbancia a 260 nm y 280 nm con lmpara UV y teniendo en cuenta que una unidad de absorbancia a 260 nm, equivale a 50g de ADN por mL. Su integridad se verific en geles de agarosa al 1 % y teidos con bromuro de etidio (Sambrook y col., 1989). 7.6.2. Obtencin de ARN 7.6.2.1. Obtencin del ARN total. Para la obtencin del ARN total del hongo, se utiliz el sistema FastRNAR, RED (BIO 101) siguiendo el protocolo sugerido por el proveedor (Referencia Revisin 6030-999-1J05). El ARN total que obtuvo con esta metodologa fue purificado y se utiliz para la sntesis del ADNc que formara parte despus de la genoteca. 7.6.2.2. Cuantificacin de ARN total. La cuantificacin de la concentracin del ARN total se realiz por espectrofotometra leyendo la absorbancia a 260 nm, 280 nm y 330nm con lmpara UV y teniendo en cuenta que una unidad de absorbancia a 260 nm, equivale a 40g de ARN por mL. Su integridad se verific en geles de agarosa 0.8% y teidos con bromuro de etidio (Sambrook y col., 1989). 7.6.3. Electroforesis 7.6.3.1. Electroforesis en geles de agarosa. Se utilizaron geles de agarosa horizontales para la separacin, identificacin y purificacin de molculas de cidos nucleicos. La concentracin de la agarosa vari entre 0.5 y 2 % y se utiliz TAE (40 mM Tris-acetato, EDTA 1 mM pH 8.0) o TBE (45 mM Tris-borato, EDTA 1 mM pH 40

Materiales y Mtodos 8.0) como amortiguador, ya sea para ADN o ARN respectivamente (Sambrook y col., 1989). Para la estimacin del tamao de las molculas de ADN, en base a su movilidad electrofortica, se utilizaron los marcadores de peso molecular 100 pb y 1kb adquiridos en Promega y se adicionaron conforme menciona el proveedor. 7.6.3.2. Purificacin de ADN de geles de agarosa. Para la purificacin del ADN genmico, fragmentos de ADN y plsmidos digeridos de geles de agarosa se utiliz el Kit GENECLEANR Turbo (Bio 101) siguiendo el protocolo sugerido por el proveedor. 7.6.4. Diseo de Cebadores y PCR 7.6.4.1. Diseo de cebadores. Para el diseo de los cebadores se realiz el alineamiento de secuencias homlogas de varios genes de lacasas, previamente buscados en las bases de datos NCBI y EMBL. Una vez alineados se localizaron las regiones conservadas en los alineamientos (regiones con similitud mayor al 90 %) y se tomaron en cuenta las siguientes caractersticas para los cebadores: composicin de los fragmentos con G y C entre 50-60 %, longitud de los fragmentos entre 18-25 nucletidos (Sambrook y col., 1989). 7.6.4.2. Reaccin en cadena de la polimerasa (PCR). Con el fin de identificar y clonar el gen de inters, se puso a punto el mtodo de PCR. Este mtodo consiste en el proceso natural de la replicacin del ADN. Por lo que, en cada paso se tendr el doble de molculas de ADN formadas que existan en el paso anterior (Sambrook y col., 1989). En este proceso, se utilizan oligonucletidos o cebadores que son diseados para tal efecto.

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Materiales y Mtodos Para este proceso se utilizaron las condiciones propuestas por DSouza y col. (1996). A estas se les realizaron algunas modificaciones para nuestros cebadores diseados. Las condiciones fueron las siguientes: Se prepar en tubos eppendorf de 200 L la siguiente mezcla de reaccin para la PCR:

Reactivos Buffer 10X MgCl2 (25 mM) dNTPs (0.1 mM) Cebador Lcc3 (20 mM) Cebador Lcc4 (20 mM) ADN molde (50 ng/L) H2O desionizada estril Taq Polimerasa Promega (2.5 U/L) Volumen Total

Cantidades 5.0 L 6.0 L 1.0 L 1.0 L 1.0 L 1.0 L 34.5 L 0.5 L 50.0 L

Las condiciones del termociclador fueron: Se aplic un ciclo a: 94C durante 2 minutos. Desnaturalizacin 54C durante 1 minuto. Hibridacin 72C durante 2 minutos. Elongacin Se aplicaron 30 ciclos: 94C durante 45 segundos. Desnaturalizacin 54C durante 1 minuto. 72C durante 1 minuto. Por ltimo, se aplic un ciclo a: 72C durante 5 minutos. Elongacin 42 Hibridacin Elongacin

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Para la identificacin de estos productos se utilizaron geles de agarosa al 2 % y se corrieron con un voltaje de entre 80 y 100 V para la identificacin de las bandas menores de 1kb. 7.6.4.3. Clonacin de productos de PCR. Para el clonaje se utiliz el plsmido pGEM easy vector systems (Promega) (Fig. 2). Este es empleado como vector de clonacin de productos de PCR, para la produccin de ADNss con un tamao de 3015 pb y formado por las siguientes inserciones. El gen de -lactamasa que confiere resistencia a ampicilina. Un fragmento del operon lac de E. coli, que contiene el promotor y una porcin del gen lacZ que puede complementar la mutacin lacZ. Una secuencia de clonacin mltiple (polylinker) con 19 sitios nicos para diferentes enzimas de restriccin y promotores reconocidos por la ARN polimerasa de los fagos T7 y SP6, flanqueando la secuencia de clonacin mltiple. Para la ligacin y transformacin de los fragmentos se realizaron los procedimientos proporcionados por el proveedor en el manual tcnico nmero 042.

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Figura 2. Vector pGEM easy systems

7.6.5. Digestin con enzimas de restriccin 7.6.5.1. Digestin del ADN plsmidico con enzimas de restriccin. Las digestiones del ADN se realizaron siguiendo las especificaciones indicadas por los proveedores (Promega) las descritas por Sambrook y col. (1989). A continuacin se muestran las cantidades de los reactivos utilizados: 7.6.6. Genoteca de ADNc 7.6.6.1. Construccin de la genoteca de ADNc. Para la construccin de la genoteca de ADNc se sigui el protocolo SMARTTM

cDNA Library Construction Kit

(PT3000-1(PR15738)) sugerido por el proveedor (CLONTECH). El vector utilizado en este sistema es TriplEx2 (fig. 3). Este vector provee una librera con alta titulacin, escaneo de recombinates azules y blancos, regulacin de la expresin de los

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Materiales y Mtodos insertos clonados y facilita la conversin de clones de fago a un vector plsmidico va subclonacin mediador-Cre-lox.

Figura 3. Vector TriplEx2

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Materiales y Mtodos Para la sntesis de la genoteca, fue necesario extraer del ARN total del hongo; despus se purific y cuantific (para tener una cantidad de entre 0.025 a 0.5 g de ARN). Una vez cuantificado, se realiz la sntesis de la primera hebra de ADNc utilizando los cebadores SMART IV y CDS III/3, por medio de PCR y la mezcla de la trancriptasa reversa PowerScript. Una vez sintetizada la hebra, se amplific nuestro ADNc mediante el Advantage 2 PCR kit, el cual utiliza los cebadores 5 PCR y el CDS III/3 PCR. Terminada la amplificacin del ADNc se realiza la digestin con la proteinasa K, esta enzima digiere las protenas que se encuentran interfiriendo en nuestra muestra de ADNc amplificada. El siguiente paso de la sntesis es la digestin con la enzima de restriccin sfi I; enzima que reconoce los sitios 5-ATTAC-3/3-TAATG-5 5-GCCTC-3/3-CGGAG5 dentro de los fragmentos de ADNc y realiza los corte correspondientes. Realizada la digestin, se pas nuestro ADNc por la columna CHROMA SPIN-400, la cual efectu el fraccionamiento del ADNc dependiendo del tamao de los fragmentos y son seleccionadas las fracciones que contengan fragmentos mayores a 600 pares de bases. Despus del fraccionamiento, se realiz la ligacin y el empaquetamiento de nuestro ADNc al bacterifago TriplEx2. Posteriormente, se realiz la titulacin de la genoteca no amplificada y despus a la genoteca amplificada. Finalmente, se efectu la extraccin del ADN de bacterifago y por medio de PCR utilizando los cebadores 5 Primer y PCR CDS III/3 proporcionados por el Advantages 2 PCR kit para verificar el tamao de los fragmentos contenidos dentro del bacterifago de nuestra genoteca. Los cebadores mencionados en la metodologa son sintetizados y proporcionados por el proveedor, al igual que cada uno de los kits mencionados. A continuacin, se presenta el diagrama donde se resume la metodologa utilizada para la sntesis de la genoteca.

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Diagrama 1. Procedimiento de la sntesis de la genoteca de ADNc (SMART TM cDNA Library Construction Kit).

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7.6.6.2. Conversin de ADN del fago TriplEx2 al plsmido pTriplEx2. Para esta tcnica se utiliz la cepa de E. coli BM 25.8, crecida en placas de medio LB y se incub a 31 C durante 6 horas. Despus, se tom una colonia y se inocul un tubo de ensayo con 10mL de medio LB, incubndose este a 31 C a 150 rpm hasta alcanzar una densidad ptica de 0.5 a 0.6 a una longitud de onda de 595 nm. Realizado el procedimiento anterior, se agreg al cultivo de clulas el volumen adecuado de la solucin de MgCl2 1 M para tener al final una concentracin de 10 mM de MgCl2 en el cultivo. A continuacin se realiz la mezcla de infeccin, la cual consisti en agregar 100L de cultivo de clulas y 100L de bacterifago suspendido en buffer SM (50 mM Tris HCl, 0.1 M NaCl, 8 mM MgSO4, 0.1% gelatina a pH 7.5) y se incub a 31 C durante 30 minutos sin agitacin. Despus de este tiempo se adicionaron 300 L de medio LB y se incub una hora a 31 C con agitacin a 200 rpm. Finalmente, se agregaron 100 L de esta mezcla a las placas que contenan medio LB/antibitico (ampicilina 200 g/mL). Se distribuy uniformemente sobre la placa y se incub a 31 C hasta la aparicin de las colonias bacterianas. 7.6.7. Hibridacin con sondas 7.6.7.1. Realizacin de las placas de lisis. Para esta metodologa se prepararon las clulas E. coli XL1-blue. Esta cepa se creci en medio LB en placa para su reactiva