[en] The present thesis is focused on the characterization of alternative expression systems used for recombinant protein production (RPP) in the methylotrophic yeast Pichia pastoris. Over this whole work, the integration of results from different fields -bioprocess engineering and gene regulation- is attempted in order to fill the gaps that frequently come up when designing a RPP bioprocess. In the first chapter of the thesis, the classical PAOX1-based expression system is thoroughly studied. Specifically, through a set of chemostat cultivations of two clones expressing the Candida rugosa lipase 1 (Cr1l) with different gene dosage, it was determined the interrelation of three important factors in RPP processes such as specific growth rate (µ), heterologous gene relative transcript levels (RTL) and specific product generation rate (qp). Moreover, the expression of a crucial transcription factor of the methanol utilization pathway (MIT1) was also determined in chemostat cultivations. Once the optimal operation conditions were identified in steady state conditions, fed-batch cultivations were conducted to validate the clones' behaviour observed previously in terms of both physiological state and Crl1 production kinetics. The inherent drawbacks of using the powerful PAOX1-based expression system -mainly derived from the use of methanol as carbon source, electron source and RPP inducer- has forced the Pichia community to investigate and develop alternative methanol-free expression systems. Due to that, in the second chapter of the thesis, two novel expression systems, based on the PPDF and PUPP, were similarly characterized in order to determine whether they can compete in terms of protein production with the widely used PGAP, usually considered the methanol-free reference, for the production of the Lipase B from Candida antarctica (CalB). All the three expression systems performance was firstly compared in chemostat cultivations, which enabled to shed light on the influence of µ and CALB expression on the CalB production kinetics. Additionally, the clones harboring the novel expression system were cultivated in fed-batch mode at the optimal conditions observed in chemostat in order to test their potential bioprocess scalability. Finally, in the last chapter of the thesis, the production of active whole cell biocatalyst based on the human cytochrome P450 2C9 (CYP2C9) in P. pastoris was afforded. The coexpression of the protein along with its redox partner (cytochrome P450 reductase, CPR) was achieved by means of a bidirectional promoter system. After a screening phase in which up to 8 promoters were tested for CYP2C9/CPR production, the combination that provided the best balance was selected for subsequent bioprocess optimization experiments. In this way, the influence of important bioprocess parameters - pH, µ and methanol addition- on active CYP2C9/CPR whole cell biocatalyst production was determined. Finally, the efficiency of P. pastoris whole cell biocatalyst based on CYP2C9/CPR was tested in a proof of concept reaction of interest, in which ibuprofen is hydroxylated into its oxidized derivatives.

[es] La presente tesis doctoral se centra en la caracterización de sistemas de expresión utilizados para la producción de proteínas recombinantes (RPP) en la levadura metilotrófica Pichia pastoris. A lo largo de todo este trabajo se integran los resultados de diferentes campos -ingeniería de bioprocesos y regulación génica- con el fin de ampliar la información sobre los sistemas de expresión analizados y, así, reducir la incertidumbre al diseñar un bioproceso RPP. En el primer capítulo de la tesis, se estudia el sistema clásico de expresión basado en el PAOX1. En un primer paso, se cultivaron en quimiostato dos clones productores de la Lipasa 1 de Candida rugosa (Cr1l) con diferente dosis génica. De esta manera, se determinó la interrelación de tres factores importantes en los bioprocesos de RPP tales como la velocidad específica de crecimiento (µ), los niveles de expresión relativa del gen heterólogo (RTL) y la velocidad específica de generación de producto (qp). Además, también se monitorizó la expresión de un factor de transcripción importante para la vía de utilización del metanol (MIT1). Una vez establecidas las condiciones óptimas de operación en continuo, se llevaron a cabo cultivos en fed-batch para validar y comparar el comportamiento de los clones productores observado, tanto desde el punto de vista de su estado fisiológico como de la cinética de producción de Crl1. Los inconvenientes del uso del potente sistema de expresión basado en PAOX1-principalmente derivado del uso del metanol como fuente de carbono, fuente de electrones e inductor de RPP- han llevado a la comunidad de Pichia a investigar y desarrollar sistemas de expresión alternativos que no dependan de la adición de metanol. Debido a ello, en el segundo capítulo de la tesis, se caracterizaron dos nuevos sistemas de expresión, basados en el PPDF y PUPP, para determinar si pueden competir con el ampliamente utilizado PGAP en la producción de la Lipasa B de Candida antarctica (CalB). El comportamiento de los tres sistemas de expresión se comparó, en primer lugar, en quimiostato. Esto permitió obtener información sobre la influencia de la µ y la expresión de CALB en la cinética de producción de la proteína. Además, los clones productores de la proteína recombinante bajo los nuevos sistemas de expresión se cultivaron en fed-batch, en las condiciones óptimas observadas previamente, con el fin de probar la potencial escalabilidad del bioproceso. En el último capítulo de la tesis se optimizó, utilizando células enteras de P. pastoris (whole cells), la producción del citrocromo P450 2C9 humano (CYP2C9). La coexpresión de esta enzima de interés industrial junto al dominio donador de electrones (cytochrome P450 reductase, CPR) se realizó mediante un novedoso sistema de promotores bidireccionales. Después de una fase de screening en la que se probaron hasta 8 promotores para la producción de CYP2C9/CPR, se seleccionó la combinación que proporcionó la mayor actividad oxidasa, y se realizaron una serie de cultivos para optimizar el bioproceso. De este modo, se determinó la influencia de parámetros importantes del bioproceso -µ, pH y estrategia de adición de metanol- en la producción de biocatalizador. Finalmente, la eficiencia del biocatalizador obtenido se testó en la reacción de hidroxilación del ibuprofeno.