Caracterización bioinformática de la vía de Sintetasa de péptidos no ribosomales encontrada en el genoma de Pseudomonas koreensis I1 que muestra similitud con vías de producción de pioverdinas

Abstract

El antagonismo bacteriano es una fuente importante de productos naturales de relevancia biotecnológica. Las moléculas caracterizadas involucradas en este fenómeno son metabolitos especializados o secundarios y se han utilizado como inmunomoduladores, antitumorales, agentes de biocontrol y antimicrobianos. Los avances en las tecnologías de secuenciación de genomas y la aplicación de técnicas de minería genómica han mejorado el análisis de genomas bacterianos para la búsqueda de vías de biosíntesis con potencial para producción de compuestos naturales bioactivos. Estudios previos realizados con muestras de aguas del Río Mapocho permitieron el aislamiento de dos cepas bacterianas con efecto inhibitorio sobre diferentes patógenos bacterianos. Mediante análisis filogenómicos la cepa inhibitoria I1 se asignó a la especie Pseudomonas koreensis. La aplicación de un análisis de minería genómica mediante el programa antiSMASH en la secuencia del genoma obtenido de este aislado detectó la presencia de 3 clusters de genes biosintéticos que codifican para sintetasas de péptidos no ribosomales (NRPSs). Dos de estos clusters muestran similitud con una vía de biosíntesis de un sideróforo de la familia de las pioverdinas en el genoma de Pseudomonas protegens Pf-5, pero, diferencias en genes esenciales entre ambos clusters biosintéticos sugieren que P. koreensis I1 sintetiza una variante nueva no descrita de pioverdina. Las pioverdinas están constituidas por un motivo estructural invariable (cromóforo) y un motivo estructural variable (cadena peptídica lateral), ambos sintetizados por NRPSs que producen el precursor peptídico denominado ferribactina. El objetivo de este trabajo fue la caracterización bioinformática de la vía de Sintetasa de péptidos no ribosomales en el genoma de Pseudomonas koreensis I1 que muestra similitud con vías de producción de pioverdina. Se determinó mediante predicciones bioinformáticas y análisis filogenéticos la secuencia aminoacídica hipotética de la ferribactina sintetizada por las NRPSs de la vía de

biosíntesis de P. koreensis I1, consistente en lisina, D-ácido aspártico, alanina, D- treonina, alanina y D- 5 hidroxiornitina. La variante predicha, no ha sido descrita ni

caracterizada en bibliografía. Posteriormente, se determinó la presencia de la vía de biosíntesis de pioverdinas detectada en P. koreensis I1 en otros genomas bacterianos, encontrándose genomas con clusters de biosíntesis similares a los de P. koreensis I1 asignados a diferentes especies dentro del género Pseudomonas además de P. koreensis. Finalmente, estos resultados se complementaron con análisis filogenéticos adicionales para establecer relaciones filogenéticas entre las especies que poseen un cluster de genes biosintéticos de pioverdinas similar al de P. koreensis I1. Este análisis confirmó que estas vías de biosíntesis similares se detectan solo en genomas asignados al género Pseudomonas, en especies y subgrupos adicionales a P. koreensis. Además, los resultados con una reconstrucción filogenética del receptor de pioverdinas, apoyan que estas cepas sintetizarían hipotéticamente las mismas variantes de pioverdinas que P. koreensis I1. En general, los resultados sugieren que la variante sintetizada por P. koreensis I1 es novedosa y, además, contrario a lo que se ha establecido en la literatura, algunas de las variantes de pioverdinas no serían exclusivas de la especie productora, sino que diferentes especies podrían sintetizar la misma variante.

Bacterial antagonism is an important source of natural products with a myriad of biotechnological applications. Molecules involved in this natural process are part of specialized metabolites or secondary metabolites. These molecules may have different potential uses such as immunomodulators, antitumoral products and antimicrobial agents. Advances in sequencing technologies and genome mining techniques have facilitated the analysis of bacterial genomes to search for hypothetical biosynthetic pathways for bioactive natural products. Previous studies conducted with water samples of the Mapocho river allowed the isolation of two bacterial strains with an inhibitory effect on different bacterial pathogens. One of the bacterial isolates was assigned to the species Pseudomonas koreensis (P. koreensis I1) by phylogenomic analysis. Genomic mining using the antiSMASH software detected 3 clusters of biosynthetic genes that code for non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs). Two of these clusters showed similarity to a biosynthetic pathway for a siderophore of the pyoverdine family present in the genome of P. protegens Pf-5. Nonetheless, differences in essential genes between the two biosynthetic clusters suggest that P. koreensis I1 synthesizes a new undescribed pyoverdine variant. Pyoverdine siderophores are composed of an invariable structural motif (chromophore) and a variable structural motif (side peptide chain), both synthesized as a peptide precursor named ferribactin by NRPSs. The aim of this project was to bioinformatically characterize the non-ribosomal peptide synthetase pathway in the Pseudomonas koreensis I1 genome that shows similarity to the pyoverdine biosynthetic pathways. For this, the hypothetical amino acid sequence of ferribactin synthesized by P. koreensis I1 was determined by bioinformatic predictions and phylogenetic analysis. The resulting prediction determined that this ferribactin sequence has not been described before. Then, the presence of the pyoverdine biosynthesis pathway of P. koreensis I1 in other bacterial genomes was assessed. The findings indicate that genomes with clusters of biosynthetic genes similar to those of P. koreensis I1 are assigned to different species within the genus Pseudomonas including but not restricted to P. koreensis. Finally, these results were complemented with additional phylogenetic analyzes to establish phylogenetic relationships between species that have a similar cluster of biosynthetic genes for pyoverdine found in P. koreensis I1. These analyzes confirm that similar pathways are detected only in genomes assigned to the genus Pseudomonas, including species and subgroups different from P. koreensis. A further phylogenetic analysis performed with the pyoverdine receptors also suggested that these species would hypothetically synthesize the same pyoverdine variants as P. koreensis I1.