Exploring the Antarctic soil metagenome as a source of novel cold-adapted enzymes and genetic mobile elements.

Abstract

A partir de muestras de suelo antártico se obtuvo la metagenoteca PP1. Esta fue sometida a análisis funcionales y genotípicos para el aislamiento de nuevas enzimas adaptadas al frío con potenciales aplicaciones, y para la detección de elementos génicos asociados a la movilización de genes, respectivamente. Por tamizaje fenotípico se detectaron 14, 14, 3 y 11 clones productores de lipasas/esterasas, proteasas, amilasas y celulasas, respectivamente, con actividades máximas aparentes de 35 °C para las amilasas y lipasas, y de 35-55 °C para las celulasas, tal como se observó para otras enzimas adaptadas al frío. Sin embargo, una celulasa parece ser compatible con enzimas mesófilas, las que usualmente se mantienen activas hasta por sobre 60 °C. Este hecho probablemente esté asociado a un comportamiento psicrotolerante en los suelos antárticos. La metagenómica permite acceder a una nueva miríada de productos metabólicos con potenciales beneficios para aplicaciones biotecnológicas e industriales. Se detectaron los genes tipo intI y tnp por PCR, y sus productos génicos deducidos tuvieron identidades del 58 al 86 % y del 58 al 73 % con secuencias conocidas, respectivamente. Dos clones, BAC 27A-9 y BAC 14A-5, parecen presentar organizaciones sintéticas únicas, lo cual sugiere la existencia de rearreglos génicos probablemente debidos a divergencias evolutivas dentro del género o facilitados por la asociación de elementos de transposición. La evidencia de elementos génicos relacionados con el reclutamiento y la movilización de genes en ambientes extremos como la Antártida refuerza la hipótesis sobre el origen de algunos genes diseminados por elementos móviles entre los microorganismos asociados al ser humano.

Metagenomic library PP1 was obtained from Antarctic soil samples. Both functional and genotypic metagenomic screening were used for the isolation of novel cold-adapted enzymes with potential applications, and for the detection of genetic elements associated with gene mobilization, respectively. Fourteen lipase/esterase-, 14 amylase-, 3 protease-, and 11 cellulase-producing clones were detected by activity-driven screening, with apparent maximum activities around 35 °C for both amylolytic and lipolytic enzymes, and 35-55 °C for cellulases, as observed for other cold-adapted enzymes. However, the behavior of at least one of the studied cellulases is more compatible to that observed for mesophilic enzymes. These enzymes are usually still active at temperatures above 60 °C, probably resulting in a psychrotolerant behavior in Antarctic soils. Metagenomics allows to access novel genes encoding for enzymatic and biophysic properties from almost every environment with potential benefits for biotechnological and industrial applications. Only intI- and tnp-like genes were detected by PCR, encoding for proteins with 58-86 %, and 58-73 % amino acid identity with known entries, respectively. Two clones, BAC 27A-9 and BAC 14A-5, seem to present unique syntenic organizations, suggesting the occurrence of gene rearrangements that were probably due to evolutionary divergences within the genus or facilitated by the association with transposable elements. The evidence for genetic elements related to recruitment and mobilization of genes (transposons/integrons) in an extreme environment like Antarctica reinforces the hypothesis of the origin of some of the genes disseminated by mobile elements among "human-associated" microorganisms.