Evolución del estilo de vida acidófilo en el filo ancestral Verrucomicrobia

Abstract

Los extremófilos se encuentran definidos como organismos capaces de vivir en condiciones consideradas extremas, en las cuales, previamente se pensaba no podría existir vida. Dentro de éstos, un grupo de interés corresponde a los denominados acidófilos, los cuales poseen un crecimiento óptimo a pH bajo el neutro. Son definidos dentro de este grupo como acidófilos extremos los organismos cuyo óptimo crecimiento es a pH bajo 3,0. Los acidófilos se encuentran presentes en los tres dominios de la vida (Archaea, Bacteria y Eukarya) divergiendo en distintas ramas dentro de estos dominios. El filo Verrucomicrobia (Bacteria) presenta organismos con esta característica. Considerado como un filo ancestral por su posición cerca de la raíz en el árbol de la vida, los miembros del filo Verrucomicrobia han sido encontrados de forma ubicua, presentes en un 99% en muestras de suelo ambientales y un 98% en muestras marinas. Estudios basados en el gen ARN ribosomal 16S han dividido el filo en 7 subdivisiones, para las cuales una serie de organismos cuentan con genomas secuenciados. Sin clasificación taxonómica a nivel de subdivisión se encuentra un clado de organismos acidófilos, característica que no ha sido estudiada en detalle en estos organismos. El clado acidófilo se separa en dos linajes de organismos acidófilos extremos diferentes (pH óptimo de crecimiento entre 2,0 y 3,0) y clasificados en los géneros Methylacidiphilum (termófilos con óptimo crecimiento alrededor de 60 °C) y Methylacidimicrobium (mesófilos con óptimo crecimiento alrededor de 30 °C). Características comunes a ambos es ser bacterias Gram negativo y ser los únicos organismos conocidos metanótrofos que habitan en condiciones de pH extremadamente bajo, adicionalmente juegan un rol clave en la mantención de los niveles de concentración de metano ambiental. Dificultades en la manipulación experimental de estos microorganismos, asociado al crecimiento dependiente de metales raros y la ausencia de técnicas de manipulación genética en acidófilos extremos, no han permitido comprender por completo cuáles son los mecanismos que les permiten sobrevivir en ambientes de bajo pH. Con el aumento de secuencias genómicas en los últimos años, el uso de variadas herramientas bioinformáticas se ha vuelto esencial como parte del estudio de organismos de difícil manipulación experimental. xv En esta tesis, se propone un modelo de evolutivo sobre el origen de la propiedad acidófila dentro del filo Verrucomicrobia, mediante el uso de herramientas de bioinformática como estudios filogenéticos y genómica comparativa. Los organismos acidófilos del filo se clasifican dentro de una familia única denominada Methylacidiphilaceae dividida en dos géneros Methylacidiphilum y Methylacidimicrobium, cuya característica diferenciadora es la temperatura óptima de crecimiento siendo termófilos y mesófilos respectivamente. Posteriormente se identifica los mecanismos relacionados a la resistencia a bajo pH presentes en estos organismos acidófilos y fue definido el pangenoma, core-genoma, genoma prescindible y genoma único para cada miembro de la familia Methylacidiphilaceae. Se identificó la presencia de mecanismos de descarboxilación/antiporter de glutamato y arginina, el complejo F0F1-ATP sintasa, transportadores de cationes y moléculas de membrana relacionados a conferir esta característica homeostasis de protones como parte del core genoma de Methylacidiphilaceae. Finalmente, se propone un modelo de evolución genómica que podría explicar el origen de las propiedades acidófilas dentro del filo Verrucomicrobia. Análisis de ganancia y pérdida de genes basado en el método de la máxima parsimonia permite proponer que la propiedad acidófila fue obtenida en un ancestro inferido común de todos los miembros de Methylacidiphilaceae. Indicios de transferencia horizontal de genes fueron identificados en el vecindario genómico de genes como gadC y adiC. Múltiples copias de genes como slp, un segundo complejo F0F1-ATP sintasa y modificaciones como la fusión de hpnD y hpnE en la vía de biosíntesis de hopanoides fueron identificados como fuerzas que contribuyeron en la ganancia de la propiedad acidófila dentro Verrucomicrobia