Posgrado: Lectura para el martes (10-02-2014)
1. Alcaraz, L. D. et al. The genome of Bacillus coahuilensis reveals adaptations essential for survival in the relic of an ancient marine environment. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 5803–8 (2008).
Pueden descargarlo de aquí: http://tinyurl.com/memvcmh
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Aquí van los controles de lectura
El artículo de Alcaraz et al. (2008) es un ejemplo más del gran potencial que tienen los estudios genómicos a la hora de estudiar la adaptación. En continuación con mi ensayo anterior debo mencionar que este aspecto es el que más me interesaría explorar con las herramientas genómicas.
En este caso en particular lo que más me llamó la atención es lo «quimérico» del genoma de Bacillus coahuilensis. Por lo menos para mí que no estoy tan familiarizado con los genomas bacterianos me resulta sorprendente el papel preponderante que juega en la adaptación la transferencia horizontal. Quizás cuando se cuente con mayores datos de especies pertenecientes a otros reinos podamos identificar que genes adaptativamente relevantes pudieron haber llegado en primer lugar a esas especies por medio de transferencia horizontal.
Ahora bien, como una crítica constructiva me parece que en diversas ocasiones a lo largo del artículo hay oraciones en las cuales se aprecia una interpretación incorrecta de los árboles filogenéticos. En primer lugar esta el nombrar a B. coahuilensis como basal y como ancestral a las otras Bacillus spp. El término «basal» puede llevar a confusión, ya que no sabemos cuantos cambios pudo haber sufrido a partir de la divergencia con su grupo hermano y aparte la divergencia entre los dos grupos es simultánea. Adicionalmente al ser un nodo terminal no se puede decir realmente que la especie sea ancestral. Lo más seguro es que la especie ancestral este extinta. En segundo lugar esta el decir que B. coahuilensis está más relacionado con la cepa NRRL B-14911. El árbol nos indica que el grupo hermano a B. coahuilensis son todos los demas Bacillus (grupo X), no esa cepa en particular. Que esa cepa sea la primera en divergir dentro del grupo X no indica que esté mas relacionada con B. coahuilensis.
Los errores anteriormente mencionados en la interpretación de los árboles pueden llevarnos a asumir condiciones ancestrales de manera errónea. En este caso considero que asumir que B. coahuilensis está adaptado a un ambiente marino relictual es seguro gracias a los datos genómicos, más creo que no es prudente hacer la misma aseveración basándonos en la reconstrucción filogenética.
Utilizar tecnologías de secuenciación híbridas puede ser muy útil ya que al mezclar 454 y Sanger se tienen las ventajas de alta cobertura y baja calidad y baja cobertura con alta calidad respectivamente, que al final del día proporcionan los medios necesarios para superar el desafío del ensamblado de un genoma de la manera más adecuda; ya que al tener ambos tipos de lectura se pueden ensamblar contigs más largos (454) y al mismo tiempo, tener más seguridad en las regiones de overlap, que usualmente son de mucho menor calidad en los extremos de las secuencias, apoyados en las lecturas de mayor calidad (Sanger).
La reducción de un genoma puede conferir ventajas adaptativas interesantes cuando se trata de un organismo que reside en un ambiente oligotrófico, ya que se tendrá menor requerimiento de elementos vitales para el ensamblado de los bloques de la vida y al mismo tiempo esta característica le conferirá la necesidad de habitar un nicho muy específico donde las relaciones con otros organismos se vuelvan indispensables para la sobrevivencia debido a la pérdida de funciones génicas elementales para considerarse como un organismo de vida libre; lo cual nos lleva a pensar que un pequeño cambio en la composición taxonómica de un ambiente como este puede llevar a la pérdida de organismos como bacillus coahuliensis o que, en un futuro, éste puede llegar a perder su caractarística como organismo de vida libre.
La habilidad de la transferencia horizontal de genes, sumada con la capacidad de esporulación y la reducción genómica de este organismo son estartegias fascinantes, las cuales han hecho que Bacillus coahuilensis haya perdurado, probablemente, desde épocas prehistóricas.
Este articulo muestra como los genomas reflejan adaptaciones a un ambiente particular. El Valle de Cuatro Ciénegas se caracteriza por sus pozas limitadas en P y su historia geológica que data del Jurásico, Bacillus coahuilensis una bacteria que se aisló de uno de los sistemas acuáticos de este sitio tiene huellas en su genoma que son reflejo de las condiciones ambientales. Se entraron genes que codifican para la producción de sulfolipidos (sqd1 y sqdX), estos genes parecen no ser comunes en otros miembros del mismo genero sino que son comunes en cianobacterias, la filogenia de estos genes muestra la cercanía con estos otros organismos. Este descubrimiento habla por un lado de la adaptación a la limitante de P y por el otro de la importancia de la transferencia horizontal de genes para adquirir genes útiles, lo que contrasta con la teoría propuesta para este sitio donde se dice que la transferencia horizontal de genes (THG) no debe jugar un papel muy importante ya que implica gasto e implica utilizar fosforo que no hay disponible, sin embargo podemos pensar que eventos como el que se documentan en este articulo ocurren esporádicamente y potenciados por una fuerte presión de selección por lo que esta adquisición debió ocurrir muy al principio de la historia. Otra adaptación es el tamaño reducido del genoma, el más pequeño dentro de los Bacillus, lo que habla del costo de mantener un genoma bajo condiciones limitantes, aunado a esto y comparando con otros genomas surge la pregunta de si esta bacteria perdió los genes o los otros Bacillus han ganado nuevos genes haciendo sus genomas más grandes, los estudios de filogenomica muestran que esta bacteria es más vieja respecto a los otros Bacillus lo que nos hace pensar lo segundo. Por otro lado en ambientes similares se han encontrado los genes relacionados con la producción de sulfolipidos, lo que es interesante. Finalmente, este articulo nos muestra el tipo de información que podemos obtener de la secuenciación de genomas y la comparación contra las bases de datos, esto de la mano de estudios filogenéticos. Me parece interesante la mención que se hace en el articulo respecto al estudio metagenomico, se dice que de haber sido este un estudio metagenomico no se hubiera podido detectar la THG a partir de las cianobacterias, lo que demuestra que es importante pensar que es lo que se quiere saber antes de decidir una estrategia.
Resumen “The genome of Bacillus coahuilensis reveals adaptations essentials for survival in the relic of an ancient marine enviroment”
La Cuenca de Cuatro Ciénegas está localizada en un valle con clima seco. Este valle no sólo está caracterizado por una tasa alta de endemismos de micro y macro organismos, sino también por agua extremadamente oligotrófica que es incapaz de sostener el crecimiento algal. Así, la base de la cadena trófica son los tapetes de microorganismos. La caracterización de la diversidad microbiológica por la secuenciación de los genes de 16S rRNA ha revelado que cerca de la mitad de los filotipos están relacionados con bacterias de ambientes marinos. Bacillus coahuilensis es una bacteria formadora de endosporas de vida libre. Al secuenciar mediante una estrategia híbrida de pirosecuenciación de alta cobertura, con secuenciación Sanger de baja cobertura del genoma de esta bacteria, concluyen que el tamaño es de 3.35 Megabases (Mb), además el genoma está compuesto por 3640 genes codificantes predichos con un contenido de GC de 37.5%, y un promedio de 1100 genes ortólogos comparados con otros 14 genomas de Bacillus. Con la aproximación filogenética descubrieron que B. coahuilensis es basal a otros 14 genomas. También, el genoma presenta una baja tasa de sustitución. Los genes que codifican para la sulfoquinovosa sintetasa (sqd1) y la glicosiltransferasa (sqdX), que son dos enzimas importantes para la síntesis de sulfolípidos lo que implica una adaptación para las concertaciones extremadamente bajas de P. Los genes que codifican para sulfolípididos están muy emparentados con los de cianobacterias. Además determinaron la presencia de genes que codifican la bacteriorodopsina lo que es coherente con una adaptación adicional a los ambientes marinos. Las familias de genes más importantes en todo el género Bacillus son los importadores de metal y osmoprotectores. Pero B. coahuilensis es el que presenta el menor número de sistemas importadores. También, B. coahuilensis tiene el menor número de enzimas para el ciclo del nitrógeno de todos los Bacillus. Los genes para la formación de endosporas están conservados pero el número de genes que codifican para los componentes de la cubierta están significativamente subrepresentados. Las limitaciones de fósforo parecen ser la fuerza detrás de las adaptaciones observadas en el genoma de B. coahuilensis, y algunas han sido adquiridas por la transferencia horizontal de genes. Asimismo, la reducción en el tamaño del genoma parece inducida por vivir en un hábitat con muy poca disponibilidad de fósforo, ya que aumentaría su adecuación al reducir la demanda por la síntesis de nucleótidos. Además, la codificación de genes de fotoliasas que reparan el daño inducido por UV puede ser una adaptación a la gran cantidad de radiación lumínica. La estrategia de secuenciar el genoma de un aislado bacteriano es una estrategia útil ya que permite la afiliación filogenética de algunas funciones ecológicas. Algunas características de como el tamaño pequeño del genoma, las restricciones del metabolismo secundario, y la sobrerrepresentación de genes de señales de transducción de señales no hubieran podido ser deducidas desde una aproximación metagenómica. Los resultados evidencian los cambios específicos del genoma que puede ser resultado de la adaptación de una bacteria marina hacia un nuevo ambiente.
El artículo plantea a partir del análisis del genoma de B. coahuilensis las relaciones filogenéticas con el resto de las especies marinas del genero, e identificar regiones que sugieran adaptaciones a las condiciones del Valle de Cuatrocienegas.
En la reconstrucción filogenética del 16S, se soporta la agrupación de la especie con el resto de las especies de hábitat marino, y a partir de la alta resolución del marcador, las pocas sustituciones y el alto porcentaje de genes ortólogos, queda claro una ancestría común. La separación de B. coahuilensis del grupo hace relevantes cuestionamientos en contexto geológico que originó la formación de las pozas del Valle de Cuatrocienegas, en donde se han descrito estrechas relaciones con grupos de microrganismos marinos. Y más aún cabria formular estrategias de análisis que probaran la hipótesis de Lozupone (2007) en donde estadísticamente que filogenias elaboradas a partir de 16S coincidentemente los grupos filogenéticos también comparten un cluster ambiental.
El Valle de Cuatrocienegas es un ambiente que se ha caracterizado como un ambiente altamente diverso y con un porcentaje alto de endemismos, correlacionado a esto presenta una baja disposición de nutrientes, enriquecidos en sulfatos, magnesio y calcio. Por lo que puede deducirse que las presiones ambientales han generado adaptaciones que favorezcan la especialización al medio, como demuestran los cambios de fosfolípidos a sulfolípidos, reservando el P disponible para procesos estrictamente fundamentales.
Para los procesos de adaptación a condiciones extremas hace énfasis en que la ecología microbiana más allá de los factores químicos, físicos y geográficos debe ser entendida como la interacción de los miembros de la comunidad microbiana.
El descarte genes de recursos hacen referencia a la perspectiva de Moran (2002) Use it or lose it, la plasticidad en las rutas biosintéticas, las presiones de selección en condiciones de abastecimiento sugiere que los procesos adaptativos conlleva establecer nuevas rutas que maximicen la eficiencia de recursos. La perdida de regiones genéticas me recuerda ejemplos clásicos de perdidas en patógenos en los que ajustan la perdida de la síntesis por la ganancia de metabolito en el hospedero, para B. coahuilensis ha optado por una salida eficiente para mantener estructuralmente sus membranas a partir de azufre, recapturar luz de manera semejante a las cianobacterias, reducir los intermediarios durante el ciclo del N2 .
-Nancy A. Moran, Microbial Minimalism: Genome Reduction in Bacterial Pathogens, Cell, 108: 5, 8 2002, 583-586, ISSN 0092-8674
-Catherine A. Lozupone Global patterns in bacterial diversity PNAS 2007 104 (27) 11436-11440; ,doi:10.1073/pnas.0611525104
Genómica de poblaciones. The genome of Bacillus coahuilensis reveals adaptations essential for survival in the relic of an ancient marine environment, Alcaraz et al. (2008)
La secuenciación del genoma completo de Bacillus coahuilensis permitió obtener una gran cantidad de información, que va desde el tamaño del genoma, su posición filogenética en comparación con otras especies, factores metabólicos en relación al medio en el que vive, hasta hipótesis de la historia geológica del valle de Cuatro Ciénegas.
B. coahuilensis fue aislada de un cuerpo de agua del Churince, en Cuatro Ciénegas, en donde el medio presenta concentraciones muy bajas de Fósforo. Asociada a estas condiciones oligotróficas se encontró que B. coahuilensis cuenta con un genoma muy pequeño a comparación de otros Bacilos y que, por medio de transferencia horizontal de genes, ha adquirido la función de generar membranas de sulfolípidos.
Me parece que lo más importante de este artículo es que se pudo obtener mucha información sobre el organismod e estudio y sobre su ambiente gracias a la secuenciación de su genoma. En el mismo artículo mencionan que otra posible aproximación al problema pudo haber sido hacer un estudio metagenómico, sin embargo, aunque seguramente se hubieran ganado algunos datos, también se hubiera perdido información sobre la estrategia adaptativa específica de B. coahuilensis al medio.
El articulo trata de como es posible detectar como actúa la selección a nivel genómico. Como modelo de estudio se empleó Bacillus coahulensis, una bacteria endémica del área de Cuatro Cienegas. El área en la que se encuentra Cuatro Cienegas son lagunas cerradas, con baja disponibilidad de fósforo en la cual la salinidad y concentración de nutrientes no permite el establecimiento de algas. Únicamente los microorganismos son capaces de tolerar esas condiciones.
La secuenciación del genoma de B. coahulensis mostró que el genoma es uno de los mas pequeños reportado para el género Bacillus, con aproximadamente 3640 genes, de los cuales 905 son únicos para esta especie. Entre los mecanismos de tolerancia que presenta este organismo se encuentran la importación de aminoácidos. Además de contar con un total de 86 genes relacionados con la asimilación del N.
Por las características de poseer un genoma pequeño, no se encuentran funciones que otras especies del mismo genero poseen. Sin embargo, por la posición en el árbol filogenético es posible inferir que los genes ausentes, pudieron ser adquiridos en especies mas derivadas.
La principal fuerza de selección en este organismo es la disponibilidad del fósforo. Es posible que la característica de tener un genoma pequeño fuera una ventaja para evitar el uso excesivo del fósforo.
De acuerdo a los resultados que fueron encontrados, es posible establecer que estas bacterias tienen una historia evolutiva que surge casi junto con la formación de Cuatro Cienegas y que las adaptaciones que ha tenido, son posteriores a la formación de la laguna.
Una cuestión interesante de abordar en esta especie es acerca de cual es la función de los 86 genes que resultaron ser exclusivos.
El genoma de B. coahulensis Revela adaptaciones para sobrevivir en un ambiente marino relictual (Alcaraz et al 2008).
Cuatro Ciénegas (CC), en el estado de Coahuila es un sistema desértico aislado, con características oligotróficas (principalmente NaCl y P), con alto contenido de sulfuros. Además cuenta con cuerpos de agua subterránea donde se han aislado y caracterizado nuevas especies de bacterias. El objetivo del proyecto fué estudiar aislados del género Bacillus de la columna de agua del sistema acuático Churince, algunos de estos, como B. coahuilensis se relacionan filogenéticamente con otras bacterias aisladas en el mar.
Se tomaron muestras del sedimento y de la columna de agua en diferentes sitios el sistema acuático Churince al género Bacillus, incluyendo el sitio donde fue aislado B. coahuilenses, recuperando bacterias esporulantes; para purificar la colección se hicieron siembras sucesivas. Para caracterizar la riqueza filogenética se realizó la amplificación y secuenciación del gen 16S rRNA y posteriormente se comparó contra las bases de datos existentes. La secuenciación se realizó con una estrategia hibrida de Sanger a baja cobertura y 454 a alta cobertura.
Los resultados basados en características fenotípicas y composición de nucleótidos, mostraron que los Bacillus en el sistema Churince al parecer se complementan metabólicamente, pues lo anterior indica que B. coahuilensis depende de la compleja comunidad microbiana, donde han ocurrido eventos de transferencia horizontal de genes, que permiten aprovechar la abundancia de sulfuros. Se mostró la presencia de sulfolípidos y compuestos nucleótidos que en conjunto le brindan ventajas adaptativas a este ambiente aislado. Lo anterior permite un mejor entendimiento de la diversidad funcional de este ecosistema.
El artículo da un acercamiento respecto a la manera en cómo utilizar una estrategia experimental de manera enfocada y dirigida. Originalmente los autores querían estudiar si las bacterias encontradas en cuatro ciénegas eran formas ancestrales adaptadas a un sistema oligotrófico. Particularmente se enfocan en la bacteria Bacillus coahuilensis para este acercamiento debido a que ésta fue un hallazgo dentro de este sistema de estudio. Mediante la secuenciación del genoma pueden hacer varias suposiciones y correlacionarlas con la ecología del sitio.
El análisis a través del estudio de los genes ortólogos me pareció muy atinado debido a que es un análisis que considera algo como “el set básico de genes” que todas las especies comparten, sin embargo en el árbol filogenómico, la relación cercana que se propone de B. coahuilensis respecto a la cepa marina NRRL no me parece tan contundente bajo la observación de que el valor de bootstrap es ligeramente superior a la mitad de la probabilidad de que no se agrupara de esta manera. Esto me hace pensar si el estudio se orientó hacia este resultado que es el más relacionado con la geología reportada para la zona o si sencillamente aún hay piezas del rompecabezas que faltan y que podrían explicar de mejor manera la historia de los microorganismos en cuatro ciénegas. Un factor determinante en el sitio es la extrema pobreza en nutrientes, especialmente fosfatos. De la secuenciación se obtienen varios hallazgos relacionado con las vías metabólicas (síntesis y asimilación) , varios de estos genes se encuentran relacionados con diferentes especies, entre las cuales se encuentra una planta (cosas que me sorprendió). Todos estos hallazgos tratan de explicar como estos genes adquiridos han pasado a través de procesos de adaptación genética para poder sobrellevar las condiciones de este medio. Sin embargo, esta forma de estudio es “gruesa” y necesitamos de estudios más finos para poder sustentar de mejor manera muchas de las propuestas que se hacen en este artículo respecto al funcionamiento de las vías metabólicas. Sería interesante analizar a mayor detalle los genes únicos de B. coahuilensis dado que esta bacteria podría resolver muchos de los “enigmas ” de fondo de este sitio y así poder entender como se dieron las adaptaciones de un ambiente precámbrico primordialmente de vida bacteriana hacia un ambiente en donde se dio el salto a una organización multicelular.
También en el estudio se pudieron dilucidar relaciones de evolución paralela, esta es otra aproximación valiosa en este tipo de estudios. Me gusta la parte final en donde explican porque no utilizar un acercamiento metagenómico, esta es una parte muy importante ya que saber como aplicar estas nuevas tecnologías implica conocer a fondo la pregunta que queremos responder y así entonces, dar el mejor enfoque para su aplicación práctica.
No, pero por favor subelo aquí para que lleven el control de las lecturas! Saludos
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