Estudio comparativo de genes que codifican enzimas Polihidroxialcanoato sintasas (PhaCs) en cepas antárticas del género Pseudomonas

Abstract

La llegada del siglo XXI se asocia, entre otras cosas, a la relevancia que cobra el cuidado del medio ambiente, el avance acelerado de la ciencia y la tecnología, y la necesidad de desarrollar materiales más amigables con el Planeta. En este sentido, los polihidroxialcanoatos (PHAs) -biopolímeros producidos por microorganismos- se posicionan como buenos candidatos para reemplazar a los plásticos derivados del petróleo pues, a diferencia de estos, cumplen con parámetros sustentables relativos a su fuente de producción y biodegradabilidad. Así, los aportes que se puedan hacer en esta materia son relevantes para el desarrollo de nuevas y mejores materialidades. Estudios previos han reportado el aislamiento desde el continente Antártico de cepas bacterianas del género Pseudomonas, que poseen capacidades únicas y ventajosas para la producción de PHAs. Sin embargo, no se ha explorado el repertorio de proteínas PHA sintasas (PhaCs), claves en este proceso, presente en un conjunto de Pseudomonas antárticas, puesto en el contexto de cepas aisladas desde otros ambientes. En este trabajo, se estudió la diversidad y distribución filogenética de genes de PhaCs en cepas de Pseudomonas antárticas, en comparación con cepas aisladas desde otros lugares del mundo. Para esto, se construyó una base de datos que contempla 855 genomas del género en cuestión, de los cuales 33 provienen de la Antártica. Estos, fueron estudiados con análisis bioinformáticos tales como alineamientos de secuencias, construcción de árboles filogenéticos, y análisis de dominios conservados, entre otros. Las PhaCs se dividen en cuatro clases (I a IV), habiendo, normalmente, 2 PhaCs de clase II en el cluster génico para la producción de PHA en Pseudomonas. En este estudio, se identificaron 738 cepas de dicho género con presencia de 2 PhaCs de clase II. De estas 738, 6 poseen una tercera PhaC de esta clase y 1 posee una cuarta de la misma. Además, se identificaron 42 genomas que poseen PhaCs de clase I, donde 2 tienen dos PhaCs de dicha clase. Se determinó que, normalmente, la ausencia o presencia de PhaCs y sus clases están vinculadas con las relaciones filogenéticas entre las cepas, aunque la presencia esporádica de algunas sugiere su adquisición por transferencia horizontal. Por otra parte, se concluyó que la mayoría de las Pseudomonas poseen la capacidad de producir PHAs asociado a la presencia de 2 PhaCs de clase II codificadas en su genoma, aunque en algunas Pseudomonas antárticas se encuentran características que llaman la atención en cuanto a la presencia de un número mayor de PhaCs de clase II o presencia de otras clases, destacando el caso de la cepa MPC6 con 5 PhaCs, incluyendo una perteneciente a una potencial nueva clase. Nuestros resultados confirman las peculiaridades y posibles ventajas de Pseudomonas antárticas para la producción de PHAs, siendo necesario estudios adicionales para develar la diversidad aún desconocida de enzimas que participan en la síntesis de estos biopolímeros con interés biotecnológico.

The arrival of the 21st century is associated, among other things, with the increasing relevance of environmental care, the accelerated advancement of science and technology, and the need to develop materials that are more environmentally friendly. In this regard, polyhydroxyalkanoates (PHAs) - biopolymers produced by microorganisms - emerge as good candidates to replace petroleum-derived plastics because, unlike them, they comply with sustainable parameters related to their source of production and biodegradability. Thus, contributions that can be made in this field are relevant for the development of new and better materials. Previous studies have reported the isolation of bacterial strains from the Antarctic continent belonging to the Pseudomonas genus, which possess unique and advantageous capabilities for PHAs production. However, the repertoire of PHA synthase proteins (PhaCs), key enzymes in this process, present in a set of Antarctic Pseudomonas strains, in the context of strains isolated from other environments, has not been explored. In this work, the diversity and phylogenetic distribution of PhaC genes in antarctic Pseudomonas strains were studied, compared to strains isolated from other parts of the world. For this purpose, a database was constructed that includes 855 genomes of the relevant genus, of which 33 originate from Antarctica. These genomes were studied using bioinformatic analyses such as sequence alignments, construction of phylogenetic trees, and analysis of conserved domains, among others. PhaCs are divided into four classes (I to IV), with typically 2 class II PhaCs in the gene cluster for PHA production in Pseudomonas. In this study, 738 strains of this genus were identified to have 2 class II PhaCs. Out of these 738 strains, 6 have a third PhaC of this class, and 1 has a fourth PhaC of the same class. Additionally, 42 genomes were found to have class I PhaCs, with 2 of them having two class I PhaCs. It was determined that, normally, the absence or presence of PhaCs and their classes are linked to the phylogenetic relationships among the strains, although the sporadic presence of some suggests their acquisition through horizontal transfer. On the other hand, it was concluded that the majority of Pseudomonas strains have the capacity to produce PHAs associated with the presence of 2 class II PhaCs encoded in their genome. However, in some Antarctic Pseudomonas strains, unusual characteristics were found regarding the presence of a greater number of class II PhaCs or the presence of other classes, highlighting the case of the strain MPC6 with 5 PhaCs, including one belonging to a potential new class. Our results confirm the peculiarities and potential advantages of Antarctic Pseudomonas in PHA production, and further studies are needed to uncover the yet unknown diversity of enzymes involved in the synthesis of these biopolymers with biotechnological interest.