Tesis Doctorado
Genomic characterization of cylindrospermopsis raciborskii a cyanobacterium able to produce bioactive compounds
Caracterización genómica de la cianobacteria cylindrospermopsis raciborskii productora de compuestos bioactivos
Autor
Fuentes-Valdes, Juan José
Institución
Resumen
Cyanobacteria are essential environmental microorganisms able to develop photosynthesis and in some cases fix atmospheric nitrogen. Furthermore, toxins produced by these microbes have an interesting biotechnological projection but are also responsible for severe water-borne diseases, such as saxitoxin intoxication. Genomic advances and bioinformatics could facilitate the discovery of novel toxins and help to understand their evolution and spread in the environment. In this thesis, these molecular approaches were applied to search and identify capacity bioactive compounds in cyanobacteria, and to provide their molecular and chemical characterization. The first aim was to obtain the genomic sequences of Australian Cylidrospermopsis raciborskii isolates and develop a comparative genomics pipeline, to understand their genetic relatedness to Brazilian species Raphidiopsis brookii, with a particular focus on saxitoxin production. In general, we observed a robust biogeographical correlation between the strains analyzed. Genome comparison of the C. raciborskii group and R. brookii revealed high global similarities, but significant differences regarding secondary metabolites biosynthesis. Secondly, biosynthetic gene clusters for secondary metabolites were identified in Cylindrospermopsis genomes, and they were studied at a molecular level. The capacity of C. raciborskii to produce active hassallidins and saxitoxins compounds were also determined. Using LC-MS/MS we determined the hassallidin profile of C. raciborskii CS-505, and we identified a new variant of hassallidin in strain CS-509. Interestingly, we were not able to detect hassallidin in C. raciborskii CS-508 extracts, despite the presence of an apparently complete gene cluster containing the codification responsible for the machinery for its production. The absence of hassallidin in this strain remains unclear; however, could be the consequence of either regulatory mechanisms or point mutations, and is an open question to further studies. Finally, we determined the saxitoxin profile in C. raciborskii strain MVCC14, which resulted in being the same as the one identified in R. brookii D9. Notwithstanding the morphological classification of Cylindrospermopsis raciborskii and Raphidiopsis brookii categorizes these microorganisms as different species, the genomic analysis suggests that both could be members of the same species. In summary, this work provides critical information for cyanobacterial genomes, determining the genetic structures responsible for secondary metabolite production of compounds of biotechnological importance (hassallidin) or environmental (saxitoxin). Las cianobacterias son microorganismos esenciales para la vida, ya que, desarrollan el proceso de fotosíntesis y fijación de nitrógeno atmosférico. Los compuestos producidos por estos microorganismos tienen un potencial biotecnológico destacable, sin embargo, también son responsables de generar intoxicaciones graves producto del consumo de agua contaminadas, como es el caso de la intoxicación por la toxina saxitoxina. Avances en genómica y bioinformática han facilitado el descubrimiento de nuevos compuestos además de ayudar a comprender su evolución cianobacteriana y diseminación en el medio ambiente. En esta tesis, mediante un enfoque molecular se buscó e identificó un grupo de compuestos bioactivos, además de proporcionar una caracterización molecular y química de las moléculas identificadas. El primer objetivo fue obtener las secuencias genómicas de aislamientos de Cylidrospermopsis raciborskii australianos y desarrollar un análisis de genómica comparativa, para comprender su relación genética con la especie brasileña Raphidiopsis brookii, con un enfoque especial en la producción de saxitoxina. En general, observamos una fuerte correlación biogeográfica entre las cepas analizadas. La comparación genómica del grupo C. raciborskii y R. brookii mostró un alto grado de similitud en términos globales, sin embargo, se observaron diferencias significativas en términos de la biosíntesis de metabolitos secundarios. En segundo lugar, los clústeres de genes para metabolitos secundarios identificados en los genomas de Cylindrospermopsis, se estudiaron a nivel molecular. Se determinó el potencial de C. raciborskii para producir compuestos activos del tipo hassallidinas y saxitoxinas. Usando LC-MS / MS determinamos el perfil de hsasallidina en C. raciborskii CS-505, e identificamos una nueva variante de hassallidina en la cepa CS-509. Curiosamente, no logramos detectar hassallidina en extractos de C. raciborskii CS-508, a pesar de la presencia del cluster de genes aparentemente completo. Esto podría explicarse por mecanismos reguladores o mutaciones puntuales. Finalmente, determinamos el perfil de saxitoxina en la cepa C. raciborskii MVCC14, que resultó ser el mismo perfil identificado en R. brookii D9. Cylindrospermopsis raciborskii y Raphidiopsis brookii se clasifican morfológicamente como especies diferentes, mediante análisis de genómica comparativa los datos sugieren que ambos podrían ser miembros de la misma especie. En resumen, este trabajo proporcionó información importante referente a genomas cianobacterianos, determinando las estructuras genéticas responsables de la producción de metabolitos secundarios de compuestos de importancia biotecnológica como hassallidina y saxitoxina. PFCHA-Becas PFCHA-Becas