Expressió gènica en microorganismes marins

Abstract

Ara que es comença a treure l’entrellat -o si més no a tenir una nova perspectiva- de la diversitat de microorganismes present als oceans gràcies a la biologia molecular i a la metagenòmica, el següent pas és esbrinar quines són les noves funcions que aquesta amaga i com són utilitzades i per qui a l’oceà. La regulació de l’expressió gènica és la base de la versatilitat i l’adaptabilitat de qualsevol organisme al medi on viu. De l’estudi dels gens expressats d’un organisme es poden deduir correctament moltes de les característiques del medi on la seva vida es desenvolupa habitualment. En cada situació els organismes expressen solament una part del seus gens, responent tant a factors interns (per exemple el cicle cel·lular) com a factors externs (temperatura, llum, aport de nutrients...). Les tecnologies de seqüenciació massiva també s’han aplicat en l’estudi de l’expressió de les comunitats microbianes marines (metatranscriptòmica). Tanmateix, aquestes tecnologies encara no estan prou optimitzades i sovint proporcionen seqüències que no poden ser assignades a cap gen conegut. En aquesta tesi ens hem plantejat l’estudi de l’expressió gènica dels microorganismes marins a tres escales diferents: a escala de comunitat, de genoma, i de gen. L’esforç més gran ha estat estudiar l’expressió gènica a escala de comunitat, on el nostre repte ha estat desenvolupar una tècnica equivalent als mètodes “d’empremta dactilar” (fingerprinting) del DNA que s’usen de forma rutinària –com la DGGE o l’ARISA- per tal d’explorar la dinàmica dels patrons d’expressió gènica de les comunitats de microbis marins, permetent la comparació d’un gran nombre de mostres a un preu assequible i sense la necessitat prèvia de saber les seqüències dels RNA missatgers. Aquesta tècnica, batejada com a TFA (de “Transcriptome Fingerprinting Analysis”), ens ha permès estudiar I) les variacions estacionals en els patrons d’expressió gènica dels picoeucariotes marins de l’Observatori Microbià de la Badia de Blanes durant 4 anys, i II) les variacions dels patrons d’expressió al llarg d’un gradient espacial horitzontal i vertical i d’un gradient temporal. En ambdós casos, els canvis d’expressió s’han comparat amb els canvis en l’estructura de la comunitat (mitjançant l’ARISA). A escala genòmica hem estudiat la resposta transcripcional global d’un microorganisme heteròtrof a la llum. La llum és responsable d’una gran quantitat de respostes fisiològiques. Una gran part dels microorganismes del mar que utilitzen la llum ho fan mitjançant la fotosíntesis, però existeixen d’altres microorganismes que utilitzen la llum de manera diferent, com els fotoheteròtrofs, que la utilitzen per generar energia però no fixen CO2. En un dels estudis de genòmica ambiental es va descobrir la presència d’una proteïna fotoactiva, la proteorodopsina, associada a un grup de bacteris marins no cultivats. Les proteorodopsines són responsables d’un nou mecanisme de fototrofia als oceans; funcionen com a bombes de protons accionades per la llum que generen un gradient de protons a la membrana per tal de sintetitzar ATP. A escala de gen, en aquesta tesi hem estudiat mitjançant RT-PCR l’expressió del gen de la proteorodopsina en un cultiu d’una flavobacteria marina i hem vist que la llum augmentava els seus nivells d’expressió.

Recent advances have been crucial to understand, or at least to have a new perspective, on the diversity of microorganisms present in the oceans through molecular biology and metagenomics. The next step is to find out what functions are hidden within this diversity and how and when are they used. The regulation of gene expression is the basis of the versatility and adaptability of any living organism to the environment. The study of the genes expressed in an organism can help to deduce many of the characteristics of the environment. Usually, organisms express only a portion of their genes in response to both internal factors (e.g. cell cycle) and external factors (temperature, light, nutrients, etc.). Massive sequencing technologies have also been applied to the study of the expression of genes in marine microbial communities (metatranscriptomics). However, these technologies are not yet sufficiently optimized and often provide sequences that cannot be assigned to known genes. In this PhD thesis I have studied gene expression of marine organisms at three different levels: at the community level, at the genome level, and at the gene level. The major effort was dedicated to gene expression at the community level, where the challenge was to develop a technique equivalent to DNA fingerprinting methods that are routinely used -such as ARISA or DGGE- in order to explore the dynamics of gene expression patterns in marine microbial communities, allowing the comparison of a large number of samples at an affordable price and without the need for prior knowledge of the messenger RNA sequences. This technique, called TFA (from “Transcriptome Fingerprinting Analysis”), has then been used to study I) seasonal variations in gene expression patterns of marine picoeukaryotes at the Blanes Bay Microbial Observatory during 4 years, and II) changes in expression patterns along spatial horizontal and vertical gradients and diel cycles. In both cases, expression changes were compared with changes in community structure (by ARISA). At the genomic level I have studied the global transcriptional response to light of a heterotrophic microorganism. Light is responsible for a large number of physiological responses. A large fraction of marine microorganisms that use light perform photosynthesis, but there are other organisms as photo-heterotrophs, who use light to generate energy but do not fix CO2. At the gene level, we have studied the proteorhodopsin gene expression by RT-PCR in a culture of a marine flavobacterium. In a study of environmental genomics, the presence of this photoactive protein was found to be associated with a group of uncultivated marine bacteria. Proteorhodopsins are responsible of a new mechanism of phototrophy in the oceans; they act as proton pumps powered by light that generate a membrane proton gradient in order to synthesize ATP. In the present study it was found that light increased the expression levels of the proteorhodopsin gene.