Estudi dels carotenoides en espècies marrons de bacteris verds del sofre: diversitat, eco-fisiologia i regulació

Abstract

El present treball es centra en l'estudi a diferents nivells dels carotenoides de les espècies marrons de Bacteris Verds del Sofre (GSB, de l'anglès Green Sulfur Bacteria). L'objectiu global ha estat el d'esbrinar quina és la funció d'aquests pigments dins l'aparell fotosintètic d'aquests microorganismes i aprofundir en el coneixement de la seva estructura i interaccions amb els altres pigments de l'aparell fotosintètic. En primer lloc es va dissenyar un nou mètode de cromatografia líquida d'alta resolució (HPLC) per analitzar de manera més ràpida i precisa els carotenoides de diferents soques de GSB (Capítol 3). Aquest mètode es basa en una purificació prèvia dels extractes pigmentaris amb columnes d'alúmina per eliminar les bacterioclorofil·les (BCls). Això va permetre analitzar amb una elevada resolució i en tan sols 45 min de carrera cromatogràfica els diferents carotenoides i els seus precursors, així com les configuracions trans i cis dels seus isòmers. El segon mètode utilitzat va consistir en una modificació del mètode de Borrego i Garcia-Gil (1994) i va permetre la separació precisa de tot tipus de pigments, procedents tant de cultius purs com de mostres de caràcter complex. Un exemple concret foren uns paleosediments de la zona lacustre de Banyoles. En aquests sediments (0,7-1,5 milions d'anys d'antiguitat) es van detectar, entre d'altres pigments, carotenoides específics de les espècies marrons de GSB, la qual cosa va permetre confirmar la presència d'aquests bacteris a la zona lacustre de Banyoles ja des del Pleistocè inferior. En aquest primer capítol també es van analitzar els carotenoides de Chlorobium (Chl.) phaeobacteroides CL1401 mitjançant cromatografia líquida acoblada a espectrometria de masses (LC-MS/MS), amb l'objectiu de confirmar la seva identificació i el seu pes molecular. A més, també es va avaluar l'efecte de la temperatura, la llum i diferents agents oxidants i reductors en la composició quantitativa i qualitativa dels carotenoides i les BCls d'aquesta espècie. Això va permetre confirmar el caràcter fotosensible de les BCls i que els isòmers trans/cis dels diferents carotenoides no són artefactes produïts durant la manipulació de les mostres, sinó que són constitutius de l'aparell fotosintètic d'aquests microorganismes. El Capítol 4 inclou els experiments de fisiologia duts a terme amb algunes espècies de GSB, a partir dels quals es va intentar esbrinar la dinàmica de síntesi dels diferents pigments de l'aparell fotosintètic (BCl antena, BCl a i carotenoides) durant el creixement d'aquestes espècies. Aquestes investigacions van permetre monitoritzar també els canvis en el nombre de centres de reacció (CR) durant el procés d'adaptació lumínica. La determinació experimental del nombre de CR es va realitzar a partir de la quantificació de la BCl663, l'acceptor primari en la cadena de transport d'electrons dels GSB. L'estimació del nombre de CR/clorosoma es va realitzar tant a partir de dades estequiomètriques i biomètriques presents a la bibliografia, com a partir de les dades experimentals obtingudes en el present treball. El bon ajust obtingut entre les diferents estimacions va donar solidesa al valor estequiomètric calculat, que fou, com a promig, d'uns 70 CR per clorosoma. En aquest capítol de fisiologia també es van estudiar les variacions en les relacions trans/cis pels principals carotenoides de les espècies marrons de GSB. Aquestes es van determinar a partir de cultius purs de laboratori i de poblacions naturals de GSB. Pel que fa als valors trobats en cultius de laboratori no es van observar diferències destacades entre el valor calculat a alta intensitat de llum i el calculat a baixa intensitat, essent en ambdós casos proper a 2. En els clorosomes aïllats de diferents soques marrons aquest quocient prengué un valor similar tant pels isòmers de l'isorenieratè (Isr) com pels del -isorenieratè (-Isr). En poblacions naturals de Chl. phaeobacteroides aquesta relació va ser també de 2 isòmers trans per cada isòmer cis, mantenint-se constant tant en fondària com al llarg del temps. Finalment, en el Capítol 5 es presenta un marcador molecular que permet la identificació específica d'espècies marrons de GSB. Malgrat que inicialment aquest marcador fou dissenyat a partir d'un gen implicat en la síntesi de carotenoides (crtY, el qual codifica per a una licopè ciclasa) la seqüència final a partir de la qual s'han aconseguit els encebadors selectius està relacionada amb la família de proteïnes de les Policètid-ceto-sintases (PKT). Tot i així, l'eina dissenyada pot ser de gran utilitat per a la discriminació d'espècies marrons de GSB respecte les verdes en poblacions mixtes com les que es troben en ambients naturals i obre la porta a futurs experiments d'ecologia microbiana utilitzant tècniques com la PCR en temps real, que permetria la monitorització selectiva de les poblacions d'espècies marrons de GSB en ecosistemes naturals.

El presente trabajo se centra en el estudio a partir de distintos niveles de los carotenoides de las especies marrones de Bacterias Verdes del Azufre (GSB, del inglés Green Sulfur Bacteria). El objetivo global ha sido el de averiguar cual es la función de estos pigmentos en estos microorganismos así como ampliar los conocimientos de su estructura y interacciones con los otros pigmentos del aparato fotosintético. En primer lugar se diseñó un método de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para analizar de forma más precisa y rápida los carotenoides de distintas cepas de GSB (Capítulo 3). Este método se caracteriza por una purificación previa de los extractos pigmentarios mediante columnas de alúmina para eliminar las bacterioclorofilas (BCls). Esto permitió analizar con una elevada resolución y en tan sólo 45 min de carrera cromatográfica los distintos carotenoides y sus precursores, así como las configuraciones trans y cis de sus isómeros. El segundo de los métodos utilizado consistió en una modificación del método de Borrego y Garcia-Gil (1994) y permitió la separación precisa de todo tipo de pigmentos, procedentes tanto de cultivos puros como de muestras de carácter complejo. Un ejemplo concreto fueron los sedimentos antiguos de la zona lacustre de Banyoles. En estos sedimentos (0,7-1,5 millones de años de antigüedad) se detectaron, entre otros pigmentos, carotenoides específicos de las especies marrones de GSB, lo que permitió confirmar la presencia de estas bacterias en la zona lacustre de Banyoles ya des del Pleistoceno inferior. En este primer capítulo también se analizaron los carotenoides de Chlorobium (Chl.) phaeobacteroides CL1401 mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS/MS), con el objetivo de confirmar su identificación y su peso molecular. Además, también se analizó el efecto de la temperatura, la luz y distintos agentes oxidantes y reductores sobre la composición cuantitativa y cualitativa de los carotenoides y las BCls de esta especie. Estos experimentos permitieron confirmar el carácter fotosensible de las BCls y que los isómeros trans/cis de los distintos carotenoides no son artefactos producidos durante la manipulación de las muestras sino que son constitutivos del aparato fotosintético de estos microorganismos. El Capítulo 4 incluye los experimentos de fisiología realizados con algunas especies de GSB, centrados en elucidar los mecanismos en la dinámica de síntesis de los distintos pigmentos (BCl antena, BCl a i carotenoides) durante el crecimiento de estas especies. Estas investigaciones permitieron monitorizar también las variaciones en el número de CR durante el proceso de adaptación lumínica. A partir de la cuantificación de la BCl663, el aceptor primario en la cadena de transporte de electrones en GSB, se calculó el número de CR. La estimación de la relación CR/clorosoma se llevó a cabo, primero a partir de datos estequiométricos y biométricos presentes en la bibliografía, y luego a partir de los datos experimentales de este trabajo. El buen ajuste entre las distintas estimaciones dio solidez al valor estequiométrico calculado, el cual fue, como promedio, de unos 70 CR por clorosoma. En este capítulo de fisiología también se estudiaron las variaciones en las relaciones trans/cis entre los principales carotenoides de las especies marrones de GSB. Estas se determinaron a partir de cultivos puros de laboratorio y a partir de poblaciones naturales de GSB. Las relaciones calculadas para los cultivos no presentaron diferencias destacadas en función de las condiciones de iluminación de estos. En las dos condiciones estudiadas, alta y baja intensidad de luz, el valor de la relación trans/cis fue aproximadamente de 2. En clorosomas aislados de distintas cepas marrones de GSB la relación también fue aproximadamente de 2, tanto para el isorenierateno (Isr) como para el -isoreniearateno (-Isr). En poblaciones naturales de Chl. phaeobacteroides esta relación fue también de 2 isómeros trans por cada isómero cis, manteniéndose constante tanto en profundidad como a lo largo del tiempo. Finalmente, en el Capítulo 5 se presenta un marcador molecular que permitió la identificación específica de especies marrones de GSB. A pesar que su diseño inicial fue a partir de un gen implicado en la síntesis de carotenoides (crtY, que codifica para una licopeno ciclasa) la secuencia final a partir de la cual se han obtenido los encebadores selectivos está relacionada con la familia de proteínas de las Policétido-ceto-sintasas (PKT). A pesar de todo, la nueva herramienta puede ser de gran utilidad para la discriminación de especies marrones de GSB respecto a las verdes en poblaciones mixtas como las que se encuentran en ambientes naturales y abre las puertas a futuros experimentos de ecología microbiana utilizando técnicas como la PCR en tiempo real, que permitiría la monitorización selectiva de las poblaciones de especies marrones de GSB en ecosistemas naturales.

This study is focused on the composition, distribution and function of carotenoids in the photosynthetic antenna of brown-coloured species of Green Sulfur Bacteria (GSB). The first part of the work has focused on the development of two different reverse-phase high performance liquid chromatography (HPLC) methods to study the diversity of carotenoids from different species of GSB (Chapter 3). We also introduced a pre-treatment of samples that provides a better resolution on the separation of all carotenoids including the all-trans and cis isomers, in a run time of 45 min. For complex pigment samples, such as untreated extracts or sediment pigment samples where a high diversity of pigments is suspected, we modified an existing method (Borrego and Garcia-Gil, 1994) to achieve the complete separation of all carotenoids as well as all the different bacteriochlorophylls (BChls) homologues and algal pigments. This modification was successfully applied for the detection and identification of pigments in ancient sediments (0.7-1.5 million years-old) from a quarry located in the lacustrine area of Banyoles. The detection of signature pigments for brown-coloured GSB confirmed the presence of GSB in the lacustrine area of Banyoles at least since mid-Pleistocene. In this first part we also analyzed the carotenoids from Chlorobium (Chl) phaeobacteroides CL1401 by liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS/MS) to confirm their identification and determine their molecular mass. Besides, several experiments were done to evaluate the effect of temperature, light and different oxidising and reducing chemical agents in the quantitative and qualitative composition of carotenoids and BCls in Chl. phaeobacteroides CL1401. These results confirmed that BCls are easily photodamaged and that the all-trans and cis isomers are constitutive components of the photosynthetic apparatus of GSB and then they are not artefacts produced during sample manipulation. Chapter 4 compiles a series of experiments carried out to elucidate the dynamics of pigment synthesis during growth of several species of GSB under different light conditions. Also these investigations allowed us to monitor the changes in the number of reaction centers (RC) during the light adaptation process. The number of RC was determined from the chromatographic quantification of BChl663, the primary acceptor in the electron transport chain in GSB. The estimation of RC per chlorosome was done according to both previous pigment stoichiometries and biometric values and from the experimental data obtained in this work. An average value of 70 RC per chlorosome was obtained. This value agrees with current models of pigment composition in the photosynthetic apparatus of GSB. In this chapter the study of the evolution of trans/cis ratios for the main carotenoids in GSB during light adaptation is also included. This ratio was calculated for different strains and chlorosomes of GSB and also from natural populations of Chl. phaeobacteroides thriving in a meromictic lake. No differences were found for the trans/cis ratio between cultures grown at saturating and limiting light conditions (trans/cis ratio of 2). Furthermore, similar values were found in isolated chlorosomes of different brown-coloured strains of GSB and in natural populations. In this case the trans/cis ratio remained fairly constant throughout the water column and also along the studied growth period of the population. Finally, in Chapter 5 we present a new molecular marker for the specific detection of brown-species of GSB. Although the designed primers originally targeted a gene involved in the biosynthetic pathway of carotenoids (CrtY that encodes a lycopene cyclase), final sequence retrieved matches with a gene related to the Polyketide ketosynthases protein family. The precise function of this protein in GSB remains hitherto unknown. However, the availability of this molecular tool opens the door for future investigations on the microbial ecology of brown-coloured species of GSB using techniques as Real-time PCR to selectively monitor populations of these microorganisms in their natural habitats.