Metagenômica comparativa de amostras do solo e de água do bioma caatinga para bioprospecção de enzimas relacionadas ao metabolismo de carboidratos (CAZymes)

Abstract

A Caatinga é a única região natural exclusivamente brasileira, sendo, no entanto, a área menos conhecida dentre os demais biomas. Pouco se sabe sobre a diversidade microbiana da Caatinga e menos ainda sobre o potencial biotecnológico desta região, no que diz respeito, por exemplo, à bioprospecção enzimática. Um dos principais grupos de enzimas de interesse biotecnológico são as hidrolases, que catalisam a hidrólise de ligações covalentes da matéria orgânica e por isso podem ser aplicadas na conversão da biomassa vegetal, para a produção de biocombustíveis. Apesar das hidrolases representarem as principais enzimas com aplicações biotecnológicas para esse fim, outros grupos de enzimas envolvidas no metabolismo de carboidratos (CAZymes) também detém um papel importante neste processo. O presente trabalho se propõe a utilizar a abordagem metagenômica para analisar amostras de água do rio Paraguaçu e amostras de solo de uma localidade da Chapada Diamantina, quanto à presença de enzimas potencialmente aplicáveis na bioconversão de biomassa vegetal. O DNA metagenômico extraído das amostras foi sequenciado pelo método shotgun e foram realizadas duas estratégias de anotação: a anotação pela tecnologia de subsistemas e a anotação baseada em regiões conservadas das sequências de CAZymes. Observou-se que o solo e a água apresentaram diferenças nos seus perfis taxonômicos e na distribuição dos subsistemas e das famílias de CAZymes que predominaram em cada ambiente. O subsistema de carboidratos foi o mais abundante no solo e o segundo com maior contribuição na água. Os subsistemas clustering-based e de aminoácidos e derivados também estiveram dentre os mais representativos nos dois ambientes. Em relação às classes de CAZymes, as glicosil hidrolases foram dominantes no solo (~44%) enquanto que as glicosil transferases foram mais frequentes na água (~50%). Em relação aos principais táxons associados às CAZymes, a classe Planctomycetia apresentou contribuição de 29% nas amostras de solo e Alphaproteobacteria contribuiu com 27% nas amostras de água. O mesmo não aconteceu ao analisar a estrutura da comunidade microbiana total, na qual Actinobacteria foi a classe dominante no solo e Betaproteobacteria na água. Os resultados encontrados indicam o potencial biotecnológico da Caatinga. Determinados grupos de enzimas identificados no solo e na água podem desempenhar atividades na degradação de substratos de interesse industrial, como o amido, o xilano, a lignina e outros compostos lignocelulósicos, tornando este bioma uma interessante fonte para bioprospecção.

The Caatinga biome is the only natural area exclusively Brazilian, however, it is the area with the lowest number of scientific studies among other Brazilian biomes. The available knowledge about microbial diversity of Caatinga is very limited and even less is known about the biotechnological potential of this region, with regards, for example, to the enzyme bioprospecting. One of the major enzyme groups of interest for biotechnological purposes are hydrolases, which catalyze the hydrolysis of covalent bonds existent in organic matter and, therefore, can be applied in the conversion of plant biomass to be used in biofuels production. Despite the fact that hydrolases are the main enzyme group with biotechnological application for this purpose, other groups of enzymes involved in carbohydrate metabolism (CAZymes) also have an important role in this process. The present study aims to use the metagenomic approach in order to analyze freshwater samples from Paraguaçu river and soil samples from one location of Chapada Diamantina, seeking to detect the presence of potentially applicable enzymes in bioconversion of plant biomass. The metagenomic DNA extracted from samples was sequenced through the shotgun sequencing method and two annotation strategies were performed: the annotation through subsystems technology and the annotation based on conserved domains of CAZyme sequences. It was observed that the soil and freshwater presented differences on their taxonomic profiles and in relation to the subsystems and CAZymes families prevailing in each environment. The Carbohydrates subsystem was the most abundant in soil and had great contribution in freshwater samples. Other subsystems such as Amino acids and Derivatives also had greater contribution in both sites. Regarding CAZymes classes, glycoside hydrolases were dominant in soil (~44%) and glycosiltransferases in freshwater (~50%). In relation to the main taxons associated with CAZymes, the Planctomycetia class had 29% contribution in soil samples and Alphaproteobacteria contributed with 27% in freshwater samples. Nevertheless, the same scenario was not observed when the structure of microbial community was analysed as a whole, in which Actinobacteria was the ruling class in soil and Betaproteobacteria in freshwater. This results indicate the biotechnological potential of Caatinga, since certain groups of enzymes found both in soil and freshwater samples may have activities in degrading substrates of industrial interest such as starch, xylan, lignin and other lignocellulosic compounds.