Degradación de hidrocarburos del petróleo por la cepa hidrocarbonoclástica Rhodococcus erythropolis ICBD2 y su efecto en la membrana y pared celular

Abstract

Los hidrocarburos (HC) del petróleo son compuestos altamente tóxicos y persistentes en el medio ambiente, considerados como contaminantes de alta prioridad. Su baja solubilidad en agua limita su biodisponibilidad para ser degradados por bacterias hidrocarbonoclásticas, por lo cual estas bacterias aumentan su hidrofobicidad celular por medio de la producción de biosurfactantes y estructuras de adhesión como ácidos micólicos y otros exopolímeros hidrofóbicos, para favorecer el proceso de degradación de los HC. Así mismo, la presencia de estos compuestos induce modificaciones en la membrana a modo de supervivencia celular, aumentando la rigidez y disminuyendo la permeabilidad a distintas sustancias. Rhodococcus erythropolis ICBD2 es una bacteria hidrocarbonoclástica aislada desde muestras de suelo crónicamente contaminado con HC del petróleo del sector Las Salinas, Valparaíso, Chile. En este sitio se aprobó el uso de biorremediación como estrategia de descontaminación, por lo cual el estudio de la capacidad degradativa de bacterias nativas del sitio afectado se vuelve imprescindible. El objetivo principal de este trabajo fue determinar la degradación de HC del petróleo por R. erythropolis ICBD2 mediante análisis bioinformático y funcional, y la adaptación de los ácidos grasos de su membrana y ácidos micólicos de su pared celular, al crecer utilizando un alcano de cadena larga como única fuente de carbono. Para esto se realizó un análisis in silico del genoma de R. erythropolis ICBD2 en la búsqueda de genes clave relacionados a la degradación de HC del petróleo. Así mismo, se evaluó la capacidad de R. erythropolis ICBD2 de utilizar HC alifáticos y aromáticos como única fuente de carbono y se evaluó el efecto del cultivo de la cepa con un alcano de cadena larga seleccionado como única fuente de carbono en la composición de los ácidos grasos celulares y ácidos micólicos de su pared celular. Se identificaron genes involucrados en la degradación de compuestos xenobióticos en el genoma de R. erythropolis ICBD2, incluyendo genes que codifican enzimas involucradas en la degradación de alcanos de distinto largo de cadena, alcano monooxigenasas de tipo alkB, monooxigenasas de alcanos de cadena larga almA y ladA, citocromo P450 monooxigenasas (cyp), y monooxigenasas tipo Baeyer-Villiger. Se identificó que los genes alkB1/2 se encontraban en un contexto de operón. Se comprobó en este trabajo que R. erythropolis ICBD2 utiliza n-eicosano como la única fuente de carbono y energía para su crecimiento. Se evaluó la adaptación de los ácidos grasos y ácidos micólicos de R. erythropolis ICBD2 al utilizar n-eicosano o acetato como única fuente de carbono y energía, y se determinó que R. erythropolis ICBD2 incrementa significativamente su hidrofobicidad celular al crecer con n-eicosano como única fuente de carbono, además de aumentar la saturación de los ácidos grasos de su membrana y de los ácidos micólicos de su pared celular. El cultivo con n-eicosano como única fuente de carbono reduce el largo de la cadena hidrocarbonada de ácidos grasos y ácidos micólicos, resultando en una estructura más rígida y estable frente a la presencia del HC en comparación al control con acetato. En conclusión, la bacteria hidrocarbonoclástica R. erythropolis ICBD2 es una atractiva candidata para la biorremediación de HC del petróleo, con potencial aplicación en sitios costeros crónicamente contaminados como el Sector Las Salinas del cual fue aislada.

Petroleum hydrocarbons (HC) are highly toxic and persistent compounds in the environment, considered high priority contaminants. Its low solubility in water limits its bioavailability to be degraded by hydrocarbonoclastic bacteria, which is why these bacteria increase their cellular hydrophobicity through the production of biosurfactants and adhesion structures such as mycolic acids and other hydrophobic exopolymers, to favor the degradation process of the HCs. Likewise, the presence of these compounds induces modifications in the membrane as a means of cell survival, increasing rigidity and decreasing permeability to different substances. Rhodococcus erythropolis ICBD2 is a hydrocarbonoclastic bacterium isolated from soil samples chronically contaminated with petroleum hydrocarbons in the Las Salinas sector, Valparaíso, Chile. At this site, use of bioremediation was approved as a decontamination strategy, which is why the study of the degradative capacity of bacteria native to the affected site becomes essential. The main objective of this work was to determine the degradation of petroleum HC by R. erythropolis ICBD2 through bioinformatics and functional analysis, and the adaptation of the fatty acids of its membrane and mycolic acids of its cell wall, when growing using a long-chain alkane as the only carbon source. For this, an in silico analysis of the R. erythropolis ICBD2 genome was carried out in the search for key genes related to the degradation of petroleum HC. Likewise, the ability of R. erythropolis ICBD2 to use aliphatic and aromatic HCs as the sole carbon source was evaluated and the effect of growing the strain with a long-chain alkane selected as the sole carbon source on the composition of the carbon was evaluated. cellular fatty acids and mycolic acids from its cell wall. Genes involved in the degradation of xenobiotic compounds were identified in the genome of R. erythropolis ICBD2, including genes that encode enzymes involved in the degradation of alkanes of different chain lengths, alkane monooxygenases of the alkB type, long chain alkane monooxygenases almA and ladA, cytochrome P450 monooxygenases (cyp), and Baeyer-Villiger type monooxygenases. The alkB1/2 genes were identified to be in an operon context. In this work, it was proven that R. erythropolis ICBD2 uses n-eicosane as the only source of carbon and energy for its growth. The adaptation of fatty acids and mycolic acids of R. erythropolis ICBD2 was evaluated when using n-eicosane or acetate as the sole source of carbon and energy, and it was determined that R. erythropolis ICBD2 significantly increases its cellular hydrophobicity when grown with n-eicosane as the only carbon source, in addition to increasing the saturation of the fatty acids of its membrane and the mycolic acids of its cell wall. Cultivation with n-eicosane as the sole carbon source reduces the length of the hydrocarbon chain of fatty acids and mycolic acids, resulting in a more rigid and stable structure in the presence of HC compared to the control with acetate. In conclusion, the hydrocarbonoclastic bacteria R. erythropolis ICBD2 is an attractive candidate for the bioremediation of HC from petroleum, with potential application in chronically contaminated coastal sites such as the Las Salinas Sector from which it was isolated.