Identificación de genes codificantes para lipasas, a partir de la anotación de genomas de bacterias aisladas de macroalgas y muestras de suelo de glaciar.

La exploración de la biodiversidad bacteriana para la búsqueda de nuevos productos biológicos, tales como enzimas y compuestos bioactivos, ha incrementado progresivamente. Así mismo, el interés de algunas investigaciones, se ha enfocado tanto en el estudio de bacterias de origen marino, como de aquellas provenientes de ambientes extremos, considerando las características ambientales de dichos ecosistemas y las adaptaciones que presentan a este tipo de condiciones (Martin et al. 2014, Lamilla et al. 2017). Particularmente para el ambiente marino, condiciones cambiantes de salinidad y temperatura, además de la disponibilidad de nutrientes, favorecen la interacción de bacterias con hospederos vivos (Engel et al. 2002, Burke 2010). Un ejemplo, lo constituyen las macroalgas del género Ulva¿ caracterizadas por presentar un gran número de bacterias asociadas (bacterias epífitas), (Rao et al. 2006, Tomas et al. 2008). En esta interacción el intercambio de nutrientes es fundamental, ya que algunos compuestos presentes en las paredes celulares de las macroalgas (monosacáridos, polisacáridos, lípidos y proteínas), son metabolizados a través de enzimas sintetizadas por bacterias epífitas (Hehemann et al. 2014, Martin et al. 2014). En el caso de ambientes extremos, tales como los glaciares, las bacterias que allí se establecen, soportan muy bajas temperaturas, además, de condiciones de oligotrofia y alta radiación (De Pascale et al. 2012). Es por esto que, las bacterias que habitan este tipo de ambientes, han adoptado una variedad de estrategias que les permiten mantener su actividad y función metabólica a pesar de las condiciones cambiantes que se presentan. Una de estas estrategias, consiste en la síntesis de enzimas con estructuras particulares, las cuales favorecen su capacidad catalítica a bajas temperaturas, propiedad que resulta de gran interés en diferentes procesos biotecnológicos e industriales (Lamilla et al. 2017). En este sentido, el aislamiento y cultivo de bacterias productoras en enzimas, provenientes tanto de muestras marinas como de ambientes extremos, facilita el acceso a la información genómica en nuevos microorganismos y hace posible el estudio de sus fenotipos en el laboratorio (De Pascale et al. 2012). Las bacterias presentan ventajas importantes, respecto a otros organismos, por su alta capacidad de producción, bajo costo, así como susceptibilidad a la manipulación genética (Castro et al. 2014). Por las razones expuestas, existe gran interés en la obtención y producción de enzimas bacterianas que puedan ser empleadas en el procesamiento de alimentos, la producción de detergentes y textiles, la investigación farmacéutica y agrícola, los biocombustibles, en terapia médica, así como en la fabricación de sustancias para estudios en biología molecular, entre otros (Karpushova et al. 2005, Park et al. 2007, Castro et al 2014, Su et al. 2016). Las lipasas, se caracterizan por su amplia especificidad de sustratos, independencia de cofactores, además de su estabilidad y actividad en solventes orgánicos, razones por la cuales desempeñan un papel relevante en diversos procesos biotecnológicos e industriales (Park et al. 2007, Su et al. 2016). Con base en lo anterior, esta propuesta de investigación está enfocada en el estudio a nivel genómico de bacterias productoras de lipasas, las cuales fueron aisladas a partir de muestras provenientes de dos fuentes: macroalgas de la especie Ulva lactuca, presentes en el litoral rocoso de la Punta de la Loma (Santa Marta) y un enriquecimiento microbiano de suelo de glaciar del Parque Nacional Natural los Nevados (PNN), ubicado en la Cordillera Central (Departamentos de Caldas, Risaralda, Quindío y Tolima), Colombia. El aislamiento proveniente de macroalgas, es resultado de una investigación que tuvo como propósito estudiar la comunidad de bacterias epífitas de U. lactuca presentes en el litoral rocoso de la Punta de la Loma, la cual, hasta este estudio, no había sido descrita. Para tal fin se empleó una aproximación metagenómica, complementada con el estudio de bacterias cultivables aisladas de la superficie de esta macroalga, para en primer lugar, describir la comunidad de bacterias epífitas y en segunda instancia, evaluar su potencial en la síntesis de enzimas marinas (Comba 2007). Dentro de los resultados obtenidos en este estudio, se destacan la descripción de los principales grupos que componen la comunidad de bacterias epífitas de Ulva lactuca con base en el análisis del gen ARNr 16S de bacterias cultivables, así como de la fracción no cultivable (ADN metagenómico). En lo relacionado con la búsqueda de enzimas sintetizadas por bacterias epífitas, se aislaron cepas de la superficie macroalgal, las cuales fueron sometidas a un tamizaje preliminar para diferentes actividades enzimáticas (amilolítica, celulolítica, lipolítica y agarolítica) de interés para el estudio (Comba 2017). A partir de esta aproximación, se obtuvieron aislamientos con actividad en los distintos sustratos evaluados, dentro los cuales se encuentra una cepa identificada taxonómicamente como Bacillus xiamenensis, que mostró actividad lipolítica en medio con tributirina como sustrato, la cual se mantuvo estable, incluso a una temperatura de 4°C. La cepa, se encuentra depositada en el Banco de Cepas y Genes del Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional de Colombia y también hace parte de la Colección Internacional de Microorganismos de la Pontificia Universidad Javeriana. Este resultado, se constituye en un hallazgo importante del estudio, teniendo en cuenta, que no existían registros de lipasas producidas por la fracción cultivable de bacterias epífitas de macroalgas marinas presentes en la región de Santa Marta. De manera que la detección de lipasas sintetizadas por bacterias asociadas a Ulva lactuca, las convierte en una fuente potencial de enzimas de este tipo y de origen marino, muchas de las cuales, por sus características funcionales son de interés biotecnológico e industrial (Arnosti et al. 2014, Prabhawathi et al. 2014). El otro aislamiento de interés para este estudio, es resultado de una investigación enfocada en estimar la diversidad de bacterias lipolíticas cultivables en dos ecosistemas (Páramo y Glaciar) del PNN, para lo cual, se aislaron bacterias a partir de un enriquecimiento de muestras de suelo, en medios de cultivo con sustratos lipídicos. Posteriormente, a partir del análisis de restricción del gen ARNr 16S (ARDRA) con las enzimas AluI, HpaII y RsaI y la secuenciación del gen completo (Bisht et al. 2011), se encontró una mayor diversidad en el enriquecimiento de la muestra de glaciar, representada por los géneros Pseudomonas, Stenotrophomonas, Ralstonia, Burkholderia y Aeromonas. Por otra parte, en la evaluación cualitativa de la actividad lipolítica, basada en la formación de halos de hidrólisis en medios suplementados con tributirina y aceite de oliva, se observó que las cepas pertenecientes a los géneros Pseudomonas, Stenotrophomonas y Ralstonia, presentaron una mayor capacidad de hidrólisis sobre los sustratos lipídicos evaluados (Palacios et al. 2017). Adicionalmente, se obtuvo un aislamiento identificado taxonómicamente como Stenotrophomonas rhizophila, proveniente de un enriquecimiento microbiano de suelo de glaciar del PNN, en el que se identificó la producción y secreción de lipasas a bajas temperaturas, las cuales, tras el análisis cualitativo realizado, presentaron estabilidad a altas temperaturas y condiciones de pH alcalino (Palacios et al. 2017). Este aislamiento se encuentra depositado en la colección de microorganismos de la Pontificia Universidad Javeriana y por tratarse de la primera cepa de la especie Stenotrophomonas rhizophila aislada de suelo de glaciar, se considera como un hallazgo importante del estudio y sirve como punto de partida para la generación de conocimiento, en lo relacionado con la producción de lipasas extracelulares producidas por esta especie bacteriana (Hemachander et al. 2000, Bardgett et al. 2005, Joseph et al. 2008, Wang et al. 2008). Bajo este contexto y partiendo de la hipótesis de que bacterias aisladas de ambientes extremos para condiciones de temperatura, pH, presión y salinidad, son una fuente promisoria de compuestos bioactivos y enzimas, las cuales debido a sus características funcionales resultan de interés en distintos procesos a nivel biotecnológico e industrial. Esta propuesta pretende establecer si: ¿existen características a nivel genómico, que puedan explicar la actividad lipolítica observada en los dos aislamientos bacterianos de interés para el estudio? Con el fin de responder esta pregunta investigación, se plantea realizar la identificación de genes codificantes para lipasas, a partir de la anotación de los genomas de Bacillus xiamenensis y Stenotrophomonas rhizophila, aisladas de macroalgas y muestras de suelos de glaciar, que permita generar información a nivel genómico, con relación a la producción de lipasas extracelulares, sintetizadas por bacterias provenientes de estos dos ambientes. Para el desarrollo de esta propuesta y con miras a establecer alianzas para futuros proyectos, se plantea una colaboración entre el grupo, Unidad de Investigaciones Agropecuarias UNIDIA y la Unidad de Saneamiento y Biotecnología Ambiental USBA de la Pontificia la Universidad Javeriana, el grupo de Bioprocesos y Bioprospección de la Universidad Nacional de Colombia y el grupo MICROBIO de la Universidad de los Andes, con la participación del profesor José Salvador Montaña como investigador principal del proyecto, las profesoras Dolly Montoya Castaño de la Universidad Nacional y Sandra Baena Garzón de la Universidad Javeriana, como co-investigadoras, el profesor Diego Jimenez de la Universidad de los Andes en calidad de asesor de la investigación y Natalia Comba González, postulada como candidata a una posición postdoctoral, en la Pontificia Universidad Javeriana.