Metagenomic characterization of bacterial consortia for the bioremediation of organic pollutants

Resumen

La contaminación causada por compuestos orgánicos es considerada como uno de los principales problemas de las sociedades modernas. Su distribución global combinada con una alta persistencia y efectos nocivos requieren tecnologías mejoradas y ambientalmente sostenibles para eliminar estos compuestos. Las bacterias pueden degradar múltiples contaminantes orgánicos, lo que ha llevado al desarrollo de varias técnicas de biorremediación que aprovechan su potencial para restaurar sitios contaminados. Sin embargo, múltiples factores afectan el proceso de biorremediación. Entre ellos, la presencia de microorganismos con las rutas de degradación apropiadas y su capacidad para permanecer en el sitio objetivo una vez inoculados son los principales problemas de las técnicas de biorremediación. El uso de poblaciones indígenas seleccionadas y adaptadas a las condiciones fisicoquímicas y biológicas de un sitio concreto pueden hacer frente a estos problemas. Sin embargo, es necesario evaluar las capacidades metabólicas de los miembros de la comunidad para inferir su papel funcional en el proceso de biodegradación. El Capítulo I constituye una introducción general sobre contaminación ambiental, incluyendo conceptos básicos. Las rutas catabólicas conocidas para la biodegradación aerobia de compuestos aromáticos y alifáticos son también introducidas en este capítulo junto con una breve descripción de las principales tecnologías de biorremediación, los múltiples factores que afectan al proceso de biorremediación, sus desafíos y cómo nuevos desarrollos en técnicas de secuenciación pueden ayudar a superar algunos de los problemas de la biorremediación. El aislamiento mediante cultivo por enriquecimiento sucesivo de dos consorcios bacterianos capaces de crecer con bifenilo (análogo químico de los PCBs) y combustible diésel como fuente de carbono y energía es descrito en los Capítulos II y III. La caracterización de ambos consorcios basada en análisis del microbioma mediante el gen 16S rRNA muestra que mientras que el consorcio degradador de bifenilo está formado por 24 miembros, el consorcio degradador de diésel está formado por 76, y muestran una abundancia relativa de taxones diferente. El consorcio degradador de bifenilo está dominado por Pseudomonas (28,97%), seguido de Bordetella (21,28%), Achromobacter (12,67%), Stenotrophomonas (8.57%) y Rhodococcus (2.18%). Por otro lado, el consorcio degradador de diésel está dominado por Pseudomonas (27,01%), Aquabacterium (22,36%), Chryseobacterium (15,34%) y géneros de la familia Sphingomonadaceae (9,26%). La secuenciación del metagenoma del consorcio degradador de bifenilo y su posterior análisis ha permitido identificar genes involucrados en tres rutas de conversión de bifenilo a benzoato y cinco rutas de benzoato al ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA). Mientras que las tres rutas de degradación del bifenilo son asignadas a Rhodococcus, cepas de Pseudomonas y Bordetella son responsables de la conversión del benzoato al ciclo de TCA mediante tres rutas distintas. Por otro lado, en el consorcio degradador de diésel la oxidación de alcanos puede ser iniciada por múltiples géneros que presentan las enzimas AlkB, LadA y CYP450, mientras que la oxidación inicial de hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs) es principalmente asignada a géneros de la familia Sphingomonadaceae. La asignación taxonómica de estas enzimas y rutas a miembros específicos de ambos consorcios nos ha permitido modelar los roles funcionales que desempeñan en poblaciones activamente involucradas en procesos de biodegradación. En el Capítulo IV se presenta la secuencia del genoma completo de un miembro del consorcio degradador de bifenilo aislado en el Capítulo II, Rhodococcus sp. WAY2. El genoma de WAY2 consiste en un cromosoma circular, tres replicones lineares con telómeros típicos de Actinobacteria y un plásmido circular pequeño. Análisis comparativos del gen 16S rRNA con otras cepas tipo del género Rhodococcus resulta en una clara distinción de WAY2, que posiblemente corresponde a una nueva especie. A parte de los tres clústeres de genes implicados en la conversión de bifenilo a benzoato descritos en el Capítulo II, la secuencia completa de su genoma contiene dos clústeres de genes adicionales que están probablemente implicados en la degradación de múltiples compuestos aromáticos. Estos clústeres se encuentran en los replicones lineares de WAY2 y probablemente son los que permiten su crecimiento en bifenilo, naftaleno y xileno como única fuente de carbono y energía y el cometabolismo de 23 congéneres de PCBs. Además, WAY2 puede también usar n-alcanos de diferente longitud de cadena como fuente de carbono y energía, probablemente debido a la presencia de copias de los genes alkB y ladA junto con los clústeres de genes mmo y pmo que codifican para metano monooxigenasas solubles y particuladas, respectivamente. Además de sus capacidades de biodegradación, el genoma de WAY2 también ha revelado la presencia de varias estrategias de adaptación al ambiente que pueden permitir su supervivencia bajo un amplio rango de condiciones. La diversidad del género Rhodococcus se analiza con más detalle en el Capítulo V, dónde análisis genómicos comparativos de más de 300 genomas se usan para estudiar su relación filogenómica. Cuarenta y dos grupos filogenómicos (PGs) distintos y 83 clústeres de especies se identifican entre los genomas del género. Análisis de rarefacción y extrapolación muestran que el número de especies probablemente continuará incrementando a medida que más cepas sean secuenciadas. La identificación de las fracciones genómicas muestra un pequeño genoma central “estricto” compuestos por 381 grupos de ortólogos (OGs) presentes en todos los genomas, mientras que un “relajado” genoma central de 1.253 OGs se alcanza en el 99% de los genomas. El pangenoma “abierto” del género Rhodococcus formado por 26.080 OGs se espera que continúe creciendo y evidencia la alta diversidad mostrada por este género, lo que se refleja en el genoma específico y central de los diferentes PGs. Finalmente, la distribución de rasgos implicados en la degradación de compuestos aromáticos y alifáticos entre los distintos PGs muestran que mientras que la mayor parte de los PGs pueden potencialmente degradar compuestos aromáticos, la degradación de alcanos, específicamente los de cadena corta, es un rasgo más limitado dentro del género Rhodococcus. En conclusión, esta Tesis muestra que la caracterización metagenómica de consorcios bacterianos destinados a fines de biorremediación puede explicar los roles funcionales de los diferentes miembros de la comunidad que participan activamente en el proceso de biodegradación. Esta información puede ser usada para aislar, secuenciar y caracterizar más en profundidad las cepas de mejor rendimiento para obtener conocimiento adicional sobre otros rasgos que también pueden ser útiles en aplicaciones biotecnológicas.