Resumen de Catabolismo y tolerancia a hidrocarburos en el linaje roseobacter. Aproximación multiómica

Catalina Maria Alejandro Marín

• español

  Introducción El linaje Roseobacter es un componente del bacterioplancton marino que predomina en ambientes crónicamente contaminados por hidrocarburos, lo que indicaría, como mínimo, su capacidad para tolerar la presencia de estos. Además, la capacidad para degradar compuestos monoaromáticos está extendida en los miembros cultivados del linaje (basada en predicción génica) y se han aislado roseobacters degradadores de hidrocarburos poliarómaticos. Hipotetizamos que las bacterias del linaje Roseobacter participarían en la degradación de compuestos aromáticos en ambientes crónicamente contaminados. El hecho de que no hayan sido reconocidas como bacterias degradadoras de hidrocarburos podría deberse a que tendrían estrategias de degradación, estructuras de genes catabólicos o de resistencia al estrés diferentes de los de las bacterias modelo de degradación estudiadas hasta el momento. Por ello, en esta tesis se planteó analizar el potencial para el catabolismo de compuestos aromáticos de miembros del linaje Roseobacter como base para entender el potencial catabólico de comunidades microbianas de ambientes contaminados por hidrocarburos donde proliferan estas bacterias.

  . Contenido de la investigación En esta tesis se ha determinado la presencia y organización de 166 genes involucrados en 6 vías de degradación de compuestos centrales (rama del protocatecuato de la vía del beta-cetoadipato, benzoil-CoA, gentisato, fenilacetil-CoA, homoprotocatecuato y homogentisato) así como en las dos ramas de la vía central del catecol, en la rama de la rotura meta del anillo aromático del protocatecuato y en todas las vías periféricas que convergen en estas rutas centrales en 61 genomas de Roseobacter. Las vías de degradación más detectadas fueron la rama del protocatecuato de la vía del beta-cetoadipato y las vías de degradación del homogentisato y fenilacetil-CoA. Además, se observó una gran variabilidad en la organización de los genes para estas rutas catabólicas en los genomas analizados. También se analizó la capacidad de varios aislados para crecer a expensas de los compuestos aromáticos estudiados como única fuente de carbono y energía y se detectaron algunas discrepancias con los resultados de la predicción genómica. Por otra parte, se analizaron los mecanismos implicados en la tolerancia a dos compuestos aromáticos (naftaleno y tolueno) que presentan miembros del linaje Roseobacter desde una aproximación proteómica. En el análisis de tolerancia a naftaleno se detectaron algunos de los mecanismos implicados en la tolerancia a compuestos aromáticos descritos en la literatura en otros grupos bacterianos, como cambios a nivel de proteínas implicadas en el mantenimiento de la estabilidad de la membrana, la respuesta al estrés oxidativo y el transporte de membrana. Por último, se estudiaron las diferencias a nivel taxonómico y funcional entre las comunidades microbianas de aguas costeras no contaminadas (control) y aguas contaminadas con hidrocarburos en base a la generación de ocho metagenomas: dos de muestras ambientales y seis a partir de experimentos de microcosmos. Se observó que en el metagenoma de puerto había una menor detección de secuencias asignadas a alfaproteobacterias y cianobacterias y una mayor detección de gammaproteobacterias y flavobacterias respecto al agua control. También se observaron cambios taxonómicos en los experimentos de microcosmos aunque de forma menos evidente. Estos cambios taxonómicos se relacionaron con una mayor presencia de genes codificantes para enzimas implicadas sobre todo en la degradación de compuestos derivados de combustibles fósiles y de la lignina en los metagenomas contaminados con hidrocarburos.

  . Conclusión Los miembros del linaje Roseobacter presentan un buen potencial catabólico para compuestos aromáticos que convergen en protocatecuato y fenilacetato, con múltiples agrupaciones para los genes de las diferentes rutas catabólicas Además, también presentan mecanismos de tolerancia a compuestos aromáticos comunes a los descritos en la literatura junto a cambios diferenciales como la presencia de la proteína de membrana SPO2567.

• català

  Introducció El llinatge Roseobacter és un component del bacterioplancton marí que predomina en ambients crònicament contaminats per hidrocarburs, indicant, com a mínim, la seva capacitat per tolerar la presència d'aquests. A més, la capacitat per degradar compostos monoaromàtics està estesa en els membres cultivats del llinatge (basada en predicció gènica) i s'han aïllat roseobacters degradadors d'hidrocarburs poliaromàtics. Vam hipotetitzar que els roseobacters participarien en la degradació de compostos aromàtics en ambients crònicament contaminats. El fet que no hagin estat reconeguts com a bacteris degradadors d'hidrocarburs podria deure’s al fet que tindrien estratègies de degradació, estructures de gens catabòlics o de resistència a l'estrès diferents als dels bacteris model de degradació estudiats fins al moment. Per això, en aquesta tesi es va plantejar analitzar el potencial per al catabolisme de compostos aromàtics de membres del llinatge Roseobacter com a base per entendre el potencial catabòlic de comunitats microbianes d'ambients contaminats per hidrocarburs on proliferen aquests bacteris.

  . Contingut de la recerca En aquesta tesi s'ha determinat la presència i organització de 166 gens involucrats en 6 vies de degradació de compostos centrals (branca del protocatecuato de la via del beta-cetoadipat, benzoil-CoA, gentisat, fenilacetil-CoA, homoprotocatecuat i homogentisat) així com en les dues branques de la via central del catecol, en la branca del trencament meta de l'anell aromàtic del protocatecuat i en totes les vies perifèriques que convergeixen en aquestes rutes centrals en 61 genomes de Roseobacter. Les vies de degradació més detectades van ser la branca del protocatecuat de la via del beta-cetoadipat i les vies de degradació del homogentisat i fenilacetil-CoA. A més, es va observar una gran variabilitat en l'organització dels gens per a aquestes rutes catabòliques en els genomes analitzats. També es va analitzar la capacitat de diversos aïllats per créixer amb els compostos aromàtics estudiats com a única font de carboni i energia i es van detectar algunes discrepàncies amb els resultats de la predicció genòmica. D'altra banda, es van analitzar els mecanismes implicats en la tolerància a dos compostos aromàtics (naftalè i toluè) que presenten membres del llinatge Roseobacter des d'una aproximació proteòmica. En l'anàlisi de tolerància a naftalè es van detectar alguns dels mecanismes implicats en la tolerància a compostos aromàtics descrits en la literatura en altres grups bacterians, com a canvis a nivell de proteïnes implicades en el manteniment de l'estabilitat de la membrana, la resposta a l'estrès oxidatiu i el transport de membrana. Finalment, es van estudiar les diferències a nivell taxonòmic i funcional entre les comunitats microbianes d'aigües costaneres no contaminades (control) i aigües contaminades amb hidrocarburs sobre la base de la generació de vuit metagenomes: dos de mostres ambientals i sis a partir d'experiments de microcosmos. Es va observar que en el metagenoma de port hi havia una menor detecció de seqüències assignades a alfaproteobacteris i cianobacteris i una major detecció de gammaproteobacteris i flavobacteris respecte a l'aigua control. També es van observar canvis taxonòmics en els experiments de microcosmos encara que de forma menys evident. Aquests canvis taxonòmics es van relacionar amb una major presència de gens que codifiquen per a enzims implicats sobretot en la degradació de compostos derivats de combustibles fòssils i de la lignina en els metagenomes contaminats amb hidrocarburs.

  . Conclusió Els membres del llinatge Roseobacter presenten un bon potencial catabòlic per a compostos aromàtics que convergeixen en protocatecuat i fenilacetat, amb múltiples agrupacions per als gens de les diferents rutes catabòliques A més, també presenten mecanismes de tolerància a compostos aromàtics comuns als descrits en la literatura junt amb canvis diferencials com la presència de la proteïna de membrana SPO2567.

• English

  Introduction The Roseobacter lineage is a component of marine bacterioplankton that predominates in environments chronically contaminated by hydrocarbons, which would indicate, at least, its capacity to tolerate the presence of these compounds. Furthermore, the ability to degrade monoaromatic compounds is widespread in the cultured members of the lineage (based on gene prediction) and polyaromatic hydrocarbon degrading roseobacters have been isolated. We hypothesized that bacteria of the Roseobacter lineage would participate in the degradation of aromatic compounds in chronically contaminated environments. The fact that they have not been recognized as hydrocarbon degrading bacteria could be explained due to the fact that they would have degradation strategies, catabolic gene structures or stress resistance strategies different from those of the model degradation bacteria studied so far. Therefore, in this thesis we analize the potential for the catabolism of aromatic compounds of members of the Roseobacter lineage as a basis to understand the catabolic potential of microbial communities from hydrocarbon polluted environments where these bacteria proliferate.

  . Content of the research The presence and organization of 166 genes involved in 6 degradation pathways of central compounds (protocatecuate branch of the beta-ketoadipate pathway, benzoyl-CoA, gentisate, phenylacetyl-CoA, homoprotocatechuate and homogentisate) as well as in the two branches of the central catechol pathway, in the branch of the meta cleavage of the aromatic ring of the protocatechuate and in all the peripheral pathways that converge in these central routes have been determined in 61 Roseobacter genomes. The most detected degradation pathways were the protocatechuate branch of the beta-ketoadipate pathway and the degradation pathways of homogentisate and phenylacetyl-CoA. In addition, a great variability was observed in gene organization of these catabolic routes in the analyzed genomes. The ability of several isolates to grow with the aromatic compounds studied as the sole source of carbon and energy was also analyzed and some discrepancies were detected with the results of the genomic prediction. On the other hand, the mechanisms involved in the tolerance to two aromatic compounds (naphthalene and toluene) that present members of the Roseobacter lineage were analyzed from a proteomic approach. In the analysis of tolerance to naphthalene, some of the mechanisms involved in tolerance to aromatic compounds described in the literature in other bacterial groups were detected, such as changes at the level of proteins involved in the maintenance of membrane stability, the response to oxidative stress and membrane transport. Finally, the differences at taxonomic and functional level between the microbial communities of unpolluted coastal waters (control) and waters contaminated with hydrocarbons were studied based on the generation of eight metagenomes: two of environmental samples and six from microcosm experiments. It was observed that in the harbor metagenome there was a lower detection of sequences assigned to alphaproteobacteria and cyanobacteria and a greater detection of gammaproteobacteria and flavobacteria with respect to the control water. Taxonomic changes were also observed in the microcosm experiments although they were less clear. These taxonomic changes were related to a greater presence of genes coding for enzymes involved in the degradation of compounds derived from fossil fuels and lignin in metagenomes contaminated with hydrocarbons.

  . Conclusion Members of the Roseobacter lineage have a good catabolic potential for aromatic compounds that converge in protocatechuate and phenylacetate, with several gene clusters in each catabolic route. In addition, they also present mechanisms of tolerance to aromatic compounds common to those described in the literature, as well as differential changes such as the presence of membrane protein SPO2567.