Presencia genética diferencial de los sistemas de captación, almacenamiento, regulación y eflujo de micronutrientes en bacterias del Desierto de Atacama

Abstract

Los suelos del Desierto de Atacama, a pesar de su extrema aridez, están habitados por diversos microorganismos, que forman comunidades microbianas diversas, cuya estructura y composición está determinada principalmente por las propiedades abióticas del suelo, como el pH. Especialmente este último influye en la disponibilidad de micronutrientes que están involucrados en la regulación de la composición y estructura de las comunidades microbianas. Particularmente, el hierro (Fe), el cobre (Cu) y el zinc (Zn) tienen un papel esencial en el metabolismo de muchos microorganismos y su homeostasis está asegurada por la expresión regulada de genes y proteínas que participan en los procesos de captación, almacenamiento, regulación y eflujo de estos. El análisis de las rutas metabólicas relacionadas con los micronutrientes es esencial para comprender cómo se modifica la estructura y función de las comunidades microbianas ante variaciones en su disponibilidad. En este trabajo, se estudiaron los componentes de rutas metabólicas asociadas a la captación, almacenamiento, regulación y eflujo de micronutrientes en 21 cepas aisladas de muestras de suelo del Desierto de Atacama. El objetivo principal fue identificar genes ortólogos que codifican para dichos componentes, así como determinar la presencia de genes involucrados en la síntesis de sideróforos y/o metalóforos en las cepas estudiadas. Como primer paso, se realizó una búsqueda bibliográfica de genes involucrados en el metabolismo de micronutrientes y las proteínas resultantes de su expresión fueron analizadas con la herramienta bioinformática KofamKOALA, que contiene una base de datos de secuencias de proteínas derivadas de los genomas anotados. Además, se empleó el programa antiSMASH para identificar clústeres de genes biosintéticos (BGCs, sigla por su nombre en inglés) relacionados con la biosíntesis de sideróforos y/o metalóforos. La capacidad potencial de las cepas analizadas, indica que la similitud funcional entre los genomas de las cepas estudiadas se relaciona, principalmente, por la filogenia a la que pertenece cada cepa, no así por las características de los sitios de muestreo (pisos vegetacionales de estos o concentración disponible de micronutrientes del suelo), a pesar de que es necesario aumentar el número de cepas analizadas por sitio para confirmar esta última afirmación. Estos resultados, sirven para establecer una base de referencia contra la cual evaluar (en las cepas por separado o conformando una comunidad), si el nivel de expresión de los genes analizados en este estudio: 1) se alinea con la composición genética, 2) la distribución espacial, o 3) responden diferencialmente a cambios de disponibilidad de estos micronutrientes.

Despite their extreme aridity, the Atacama Desert soils are inhabited by various microorganisms, which form diverse microbial communities, whose structure and composition is mainly determined by the abiotic properties of the soil, such as pH. Specially this attribute influences the micronutrients availability that are involved in regulating the composition and structure of microbial communities. Particularly, iron (Fe), copper (Cu) and zinc (Zn) play an essential role in the metabolism of many microorganisms and their homeostasis is ensured by the expression of genes and proteins involved in the processes of uptake, storage, regulation and efflux of them. The analysis of metabolic pathways related to micronutrients is essential to understand how the structure and function of microbial communities are modified by variations in their availability. In this work, the components of metabolic pathways associated with the uptake, storage, regulation and efflux of micronutrients were studied in 21 strains isolated from soil samples from the Atacama Desert. The main objective was to identify orthologous genes encoding for these components, as well as to determine the presence of genes involved in the synthesis of siderophores and/or metallophores in the strains studied. As a first step, a literature search for genes involved in micronutrient metabolism was performed and the proteins resulting from their expression were analysed with the KofamKOALA bioinformatics tool, which contains a database of protein sequences derived from the annotated genomes. In addition, the antiSMASH program was employed to identify biosynthetic gene clusters (BGCs) associated with siderophore and/or metallophore biosynthesis.Potential capacity of the strains analyzed indicates that the functional similarity between the genomes of the strains in the community is mainly related to the phylogeny to which each strain belongs, but not to the characteristics of the sampling sites (vegetational strata or available concentration of soil micronutrients). These results serve to establish a baseline against which to evaluate (in individual strains or as a community) whether the level of expression of the genes analyzed in this study: 1) aligns with genetic composition, 2) spatial distribution, or 3) respond differentially to changes in the availability of these micronutrients. The potential capacity of the analyzed strains indicates that the functional similarity between the community strains genomes is mainly related to the phylogeny to which each strain belongs, not to the characteristics of the sampling sites (vegetational strata or available concentration of soil micronutrients), although it is necessary to increase the number of strains analyzed per site to confirm this last statement. These results serve to establish a baseline against which to evaluate (in individual strains or as a community) whether the expression level of the genes analyzed in this study: 1) aligns with genetic composition, 2) spatial distribution, or 3) respond differentially to changes in the availability of these micronutrients.