Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Metabolismo del arsénico en microorganismos extremófilos de los Andes centrales |
| Título alternativo: | Arsenic metabolism in extremophilic microorganisms from the central Andes |
| Autor: | Vignale, Federico Agustín |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Lugar de trabajo: | Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Química Biológica de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (IQUIBICEN)
|
| Fecha de defensa: | 2022-12-14 |
| Fecha en portada: | 2022 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Química Biológica |
| Departamento Docente: | Departamento de Química Biológica |
| Director: | Farías, María Eugenia; Turjanski, Adrián Gustavo |
| Consejero: | López, Nancy Irene |
| Jurado: | Erijman, Leonardo; Pettinari, María Julia; Farber, Marisa Diana |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | ANDES CENTRALES; BIOPELICULAS; TAPETES MICROBIANOS; MICROBIALITOS; METAGENOMICA; GENOMICA; ARSENICOCENTRAL ANDES ; BIOFILMS; MICROBIAL MATS; MICROBIALITES; METAGENOMICS; GENOMICS; ARSENIC |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7234_Vignale |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7234_Vignale.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7234_Vignale |
| Ubicación: | QUI 007234 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Vignale, Federico Agustín. (2022). Metabolismo del arsénico en microorganismos extremófilos de los Andes centrales. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7234_Vignale |
Resumen:
Los salares y volcanes de los Andes centrales de Sudamérica albergan diversos ecosistemas microbianos, tales como biopelículas, tapetes microbianos y microbialitos. Los registros fósiles indican que los microbialitos surgieron hace más de 3.700 millones de años y fueron la principal evidencia de vida en la Tierra durante los siguientes 2.000 millones de años. Debido a las condiciones ambientales extremas de los Andes centrales (alta radiación, baja tasa de precipitación, alta tasa de evaporación, alta salinidad, alta concentración de arsénico, baja presión de oxígeno, fuertes vientos y una gran amplitud térmica), el estudio de los ecosistemas microbianos andinos podría ayudarnos a comprender los límites de la vida en la Tierra y potencialmente en sus orígenes. El presente trabajo tiene como objetivo comprender los mecanismos moleculares que permiten a los microorganismos extremófilos de los Andes centrales resistir a las elevadas concentraciones ambientales de arsénico y, eventualmente, obtener energía metabólica a partir de su oxidorreducción. En la primera parte del trabajo, se llevó a cabo una prospección de ecosistemas microbianos en tres salares y un volcán de los Andes centrales. En el salar de Antofalla se recolectaron muestras de tapetes microbianos de la laguna Pozo Bravo y de una pequeña laguna o puquio de campo naranja; en el volcán Galán se recolectaron biopelículas de la laguna Diamante; en el salar Socompa se tomaron muestras de microbialitos de la laguna Socompa; mientras que en el salar de Atacama se muestrearon tapetes microbianos de las lagunas Tebenquiche y Brava. Junto a los muestreos se realizó un análisis fisicoquímico de cada ambiente. Posteriormente se realizó una secuenciación masiva del ADN total de las muestras para llevar a cabo estudios metagenómicos. Los resultados revelaron que la laguna Diamante es el ambiente más extremo de los estudiados, presentando la mayor alcalinidad, salinidad, y concentración de arsénico en agua. Por tal motivo, la composición microbiana de la biopelícula de Diamante difiere considerablemente a la del resto de los ecosistemas microbianos estudiados. La biopelícula de Diamante está dominada por haloarqueas, mientras que los ecosistemas de Brava, Tebenquiche, puquio de campo naranja, Pozo Bravo, y Socompa están dominados por bacterias de diferentes gremios. Tras analizar la abundancia relativa de los genes del metabolismo del arsénico en dichos ecosistemas, se pudo determinar que la mayoría de los microorganismos andinos presentan mecanismos moleculares de resistencia al arsénico. Los principales mecanismos consisten en (1) la reducción citoplasmática del arsenato, mediada por la arsenato reductasa citoplasmática ArsC, seguido de la expulsión del arsenito resultante por la bomba Acr3, y (2) la metilación citoplasmática del arsenito, mediada por la arsenito metiltransferasa ArsM, seguido de la expulsión del metilarsenito resultante por la bomba ArsP. Además de resistir al arsénico, algunos microorganismos andinos pueden oxidar el arsenito para obtener energía utilizando la enzima arsenito oxidasa AioAB, y/o reducir el arsenato para crecer en anaerobiosis utilizando la enzima arsenato reductasa ArrAB. La abundancia de los genes que codifican las respectivas enzimas resultó ser mayor en la biopelícula de Diamante que en el resto de los ecosistemas, lo que resultó interesante debido a que aún no hay evidencias de estos procesos metabólicos en haloarqueas. Con el fin de profundizar la comprensión del metabolismo del arsénico en las haloarqueas, la segunda parte del trabajo consistió en el aislamiento de una haloarquea de Diamante (Halorubrum sp. DM2) y su caracterización por medio de análisis genómicos y ensayos de crecimiento. Los correspondientes análisis revelaron que Halorubrum sp. DM2 presenta la mayoría de los genes del metabolismo del arsénico (genes ars, aio y arr), resiste altas concentraciones de arsénico, y es capaz de crecer como quimioorganótrofo oxidando compuestos orgánicos y respirando arsenato. Al identificarse una mutante Halorubrum sp. DM2 ΔarrA que no es capaz de crecer en anaerobiosis respirando arsenato, se pudo corroborar que Halorubrum sp. DM2 utiliza la enzima arsenato reductasa ArrAB para respirar arsenato. De esta manera, el trabajo presentado en esta tesis da a conocer los principales procesos metabólicos del arsénico presentes en los microorganismos extremófilos de los Andes centrales, y extiende el conocimiento que se tiene de los mismos, con especial foco en las haloarqueas.
Abstract:
The Central Andes of South America are rich in salt flats and volcanoes which harbor diverse microbial ecosystems, such as biofilms, microbial mats, and microbialites. Geological records indicate that microbialites first appeared more than 3.7 billion years ago and were the main evidence of life on Earth for the next 2 billion years. Due to the extreme environmental conditions of the central Andes (high radiation, low precipitation rate, high evaporation rate, high salinity, high arsenic concentration, low oxygen pressure, strong winds and wide daily range in temperatures), the study of the Andean microbial ecosystems could help us understand the limits of life on Earth, as well as advance knowledge in the evolution of early life. The aim of this work is to understand the arsenic resistance and bioenergetic mechanisms in the extremophilic microorganisms from the central Andes. In the first part of the work, a search for microbial ecosystems was carried out in three salt flats and one volcano from the central Andes. In Antofalla salt flat, microbial mat samples were collected from Pozo Bravo lake and a small orange lagoon or puquio de campo; in Galán volcano, biofilm samples were collected from Diamante lake; in Socompa salt flat, microbialite samples were collected from Socompa lake; while in Atacama salt flat, microbial mats were collected from Tebenquiche and Brava lakes. Along with the sampling, a physicochemical analysis of each environment was performed. Afterwards, high-throughput sequencing of the total DNA extracted from the samples was carried out to perform metagenomic studies. The results revealed that Diamante lake is the most extreme environment among those studied, presenting the highest alkalinity, salinity, and arsenic concentration in water. For this reason, the microbial composition of the Diamante biofilm differs considerably from that of the rest of the microbial ecosystems studied. The Diamante biofilm is dominated by haloarchaea, while Brava, Tebenquiche, puquio de campo naranja, Pozo Bravo, and Socompa ecosystems are dominated by bacteria of different guilds. The relative abundance of arsenic metabolism genes in the microbial ecosystems revealed that most of the Andean microorganisms present arsenic resistance mechanisms. The main mechanisms consist of (1) cytoplasmic arsenate reduction, mediated by the cytoplasmic arsenate reductase ArsC, followed by the extrusion of the resulting arsenite by the Acr3 pump, and (2) cytoplasmic arsenite methylation, mediated by the arsenite methyltransferase ArsM, followed by the extrusion of the resulting methylarsenite by the ArsP pump. In addition to these detoxification mechanisms, some Andean microorganisms have mechanisms to obtain energy through the oxidation of arsenite by arsenite oxidase AioAB, and the reduction of arsenate by arsenate reductase ArrAB. The abundance of the genes encoding the respective enzymes resulted to be higher in the Diamante biofilm than in the rest of the ecosystems studied. This was interesting because there is no previous evidence of these metabolic processes in haloarchaea. To deepen the understanding of the arsenic metabolism in haloarchaea, the second part of the work consisted in the isolation of an haloarchaea from Diamante lake (Halorubrum sp. DM2) and its characterization through genomic analyses and growth assays. The corresponding analyses revealed that Halorubrum sp. DM2 presents most of the arsenic metabolism genes (ars, aio, and arr genes), is resistant to high arsenic concentrations, and is able to grow as a chemoorganotroph oxidizing organic compounds and reducing arsenate. The identification of a mutant Halorubrum sp. DM2 ΔarrA, which is not able to grow in anaerobiosis with arsenate, demonstrated that Halorubrum sp. DM2 employs the enzyme arsenate reductase ArrAB to reduce arsenate. Summing up, the work presented in this thesis sheds light on the arsenic metabolisms present in the extremophilic microorganisms from the central Andes, with special focus on haloarchaea.
Citación:
---------- APA ----------
Vignale, Federico Agustín. (2022). Metabolismo del arsénico en microorganismos extremófilos de los Andes centrales. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7234_Vignale
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Vignale, Federico Agustín. "Metabolismo del arsénico en microorganismos extremófilos de los Andes centrales". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2022.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7234_Vignale
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