Metagenomic characterization, bioactive properties and biotechnological applications of the extremophilic microorganisms inhabiting Odiel saltern ponds

Resumen

Los microorganismos extremófilos son aquellos que viven bajo las condiciones más severas para la vida en la Tierra, incluyendo valores extremos de temperatura, presión, pH, radiación, o salinidad, entre otros. Lo realmente sorprendente es que estos microorganismos, no solo toleran, sino que requieren para su proliferación condiciones que se consideran letales para la mayoría de los individuos. Dentro de los microorganismos extremófilos, esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de un tipo concreto de ellos, los denominados halófilos, que habitan en ambientes hipersalinos, donde la concentración de sal llega a superar en diez veces la salinidad del mar. Estos microorganismos proliferan en lugares como lagos salados, minas de sal, salmueras y salinas. Este trabajo está centrado en el estudio de la población microbiana de salinas del Odiel, ubicadas en las marismas del río Odiel en la ciudad de Huelva (España). La diversidad microbiana en ambientes hipersalinos ha estado subestimada por la falta de métodos adecuados para su estudio, dado que por su carácter extremófilo muchos de estos microorganismos no proliferan bien en laboratorio. Sin embargo, los halófilos suponen una excelente fuente de recursos, ya que poseen enzimas especialmente adaptadas y una gran batería de metabolitos con potencial interés biotecnológico, que utilizan para hacer frente a las condiciones extremas en las que viven. En este trabajo se realiza una caracterización completa de las comunidades microbianas que habitan en las balsas de las salinas del Odiel, y se estudian las aplicaciones de algunos de los compuestos producidos por los microorganismos halófilos aislados. Se abordan distintos métodos para la caracterización de la población microbiana a salinidad extrema (Capítulo 1), seguido del análisis de las propiedades bioactivas (Capítulo 2) y aplicaciones biotecnológicas (Capítulo 3) de los metabolitos producidos por los microrganismos aislados, para concluir con el estudio de la evolución de la biodiversidad microbiana a lo largo del gradiente de salinidad (Capítulo 4). En el Capítulo 1 se presenta la caracterización de la población de microorganismos procariotas en las balsas de mayor salinidad (33% NaCl). Se combinaron dos estrategias independientes de cultivo basadas en técnicas moleculares, la generación de genotecas y la secuenciación masiva, ambas centradas en el gen codificante del ARNr 16S. Los resultados mostraron que ambos métodos son comparables en cuanto a la determinación de los géneros mayoritarios, aunque la metagenómica otorga más información sobre los minoritarios. Dentro de los microorganismos más abundantes, se encontraron haloarqueas de los géneros Halorubrum y Haloquadratum, además de la bacteria Salinibacter ruber. Por otro lado, se evaluó la capacidad de la biomasa recolectada de las balsas de cristalización para producir distintas hidrolasas extracelulares y halocinas, sobre lo que se profundiza en los dos siguientes capítulos. En el Capítulo 2 se relata la evaluación de las propiedades antioxidantes, antimicrobianas y bioactivas de diversos extractos de dos cepas de arqueas halófilas aisladas de las salinas del Odiel. Estas haloarqueas se clasificaron filogenéticamente como Haloarcula sp. HM1 y Halobacterium sp. HM2. Los resultados más destacables se encontraron en los extractos de acetona de ambas especies, los cuales presentaron alta capacidad antioxidante, antimicrobiana, anti-inflamatoria y melanogénica. Además, los extractos acuosos de ambas haloarqueas exhibieron inhibición sobre la enzima acetilcolinesterasa, relacionada con desórdenes neurológicos. En el Capítulo 3, se detalla la caracterización bioquímica y proteómica de la actividad amilasa de una arquea halófila aislada. Las amilasas son unas de las enzimas más empleadas en la industria, donde las proteínas de halófilos pueden resultar útiles al tolerar condiciones muy extremas. Tras realizar un cribado con distintas cepas de haloarqueas aisladas, se identificó la que presentaba mayor actividad amilasa como Haloarcula sp. HS. Este microorganismo mostró actividad amilasa tanto en el extracto celular como extracelular, con máximos a 60°C y 25% NaCl. Se identificaron hasta tres amilasas distintas de la familia de las denominadas α-amilasas. Además, se probó la efectividad de la actividad amilasa extracelular para tratar residuos de panadería bajo elevada salinidad. Finalmente, en el Capítulo 4 se describe el estudio de la diversidad microbiana en las balsas de las salinas del Odiel a lo largo del gradiente de salinidad (3,5; 7,5; 15 y 30% NaCl). Las comunidades microbianas de eucariotas y procariotas se caracterizaron mediante la secuenciación masiva de los genes codificantes para el ARNr 16S y 18S, junto al análisis de los pigmentos más abundantes. Se comprobó que las microalgas verdes (Chlorophyta) dominan el fitoplancton en todas las salinidades y que el filo Proteobacteria es desplazado por los filos Bacteroidetes y Euryarcheaota conforme aumenta la salinidad. Por último, la evaluación del papel de los carotenoides microbianos en la cadena trófica indicó que estos pigmentos podrían pasar a organismos superiores como los flamencos a través del pequeño crustáceo Artemia.