Estudios ómicos del efecto de contaminantes emergentes en ecosistemas costeros: del laboratorio al campo
- Autores: Ana María Herruzo Ruiz
- Directores de la Tesis: José Alhama Carmona (dir. tes.), Carmen Michán Doña (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Dolores Roldán Ruiz (presid.), Eduardo Chicano Gálvez (secret.), Pedro M. Costa (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias y Ciencias Agroalimentarias por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
Estudios ómicos de los efectos de los contaminantes emergentes en ecosistemas costeros: del laboratorio al campo.
1. introducción o motivación de la tesis Los ecosistemas costeros soportan el impacto del desarrollo de numerosas actividades socioeconómicas. Para mantener su función, los servicios ecosistémicos y la biodiversidad, es necesario preservar y conservar la calidad ambiental. Uno de los principales impactos de la actividad humana en los ecosistemas marinos es la contaminación química, que puede producir un efecto nocivo sobre la biota, la estructura y función de los ecosistemas, y, en última instancia, sobre el ser humano. De especial y creciente preocupación es la detección, como consecuencia de la mejora de las técnicas analíticas y los programas de seguimiento ambiental, de los denominados contaminantes emergentes: nanopartículas, microsplásticos, retardantes de llamas polibromados, fármacos, modificadores de la actividad endrocrina, productos de higiene personal (1-3). La European Science Fundation en su “Position Paper”, sobre la monitorización de la contaminación química de los mares europeos (4), señala en relación a los contaminantes emergentes: i) la necesidad de evaluar los efectos biológicos de estas nuevas sustancias, ii) el desarrollo de procedimientos analíticos adecuados y sensibles que permitan su detección en ecosistemas marinos, y iii) el desarrollo de nuevas aproximaciones que permitan la evaluación de mezclas de sustancias, con el fin de cambiar en el futuro las evaluaciones y regulaciones actuales basadas en sustancias individuales. El proyecto de Tesis permitirá incrementar el conocimiento sobre el impacto de los contaminantes emergentes, y los mecanismos moleculares subyacentes en los sistemas marinos. La predicción de riesgos antrópicos, como los asociados a la contaminación, favorecerá la protección y sostenibilidad de los ecosistemas costeros.
2.contenido de la investigación El proyecto de Tesis ha desarrollado y aplicado metodologías de análisis masivo, cómo técnicas proteómicas y genómicas en el microbioma de suelos y sedimentos, así como la secuenciación del transcriptoma, la caracterización del subproteoma redox y la espectrometría de masas acoplada a imagen molecular (MALDI-MSI) en el molusco bivalvo Scrobicularia plana. Estos estudios nos han permitido conocer cómo las comunidades microbianas de ecosistemas acuáticos se ven afectadas por las alteraciones ambientales, siendo un campo en expansión en el que las nuevas tecnologías de alto rendimiento tienen mucho que aportar. Así, la metagenómica ha permitido evaluar los cambios poblacionales como consecuencia de la presencia de contaminantes emergentes y convencionales de gran relevancia actual, utilizando un diseño experimental de microcosmos. Se han descrito distintas familias bacterianas capaces de funcionar como biomarcadores de contaminación por metales pesados (Bacillaceae, Campylobacteraceae, etc.), por microplásticos (Marinifilaceae y Chitinophagaceae), por fármacos antiinflamatorios (Shewanellaceae, Rhodobacteraceae), antimicrobianos (Hyphomonadaceae, Frankiaceae, Promicromosporaceae) y psicofármacos (Bartonellaceae, Xantomonadaceae). Estudiándose los procesos biológicos asociados a dichas familias destacando el metabolismo del nitrógeno y del azufre, así como procesos más específicos como degradación de compuestos aromáticos. Para superar las limitaciones que todavía presentan estas técnicas metagenómicas, se ha desarrollado y evaluado un protocolo de extracción de proteínas en condiciones alcalinas. Las proteínas extraídas se analizaron utilizando una base de datos interna basada en un análisis previo del ARNr 16S que informaba de alteraciones de la composición y de una disminución de la diversidad de una comunidad microbiana bacteriana en respuesta a la contaminación (5). El análisis proteómico permitió descubrir los procesos biológicos globales alterados en respuesta a los cambios ambientales: enzimas antioxidantes/detoxificadoras y chaperonas moleculares, biosíntesis de proteínas, procesos de transporte y metabolismo respiratorio aeróbico (glucólisis, ciclo del TCA y síntesis de ATP). La respiración aeróbica permite a las bacterias hacer frente a la enorme demanda de energía metabólica necesaria para defenderse de amenazas ambientales, especialmente para asegurar la traducción de proteínas, el transporte de membranas y la homeostasis proteica. El impacto de los contaminantes en la abundancia, estructura, diversidad y las actividades metabólicas de las poblaciones bacterianas del suelo podrían utilizarse como posibles indicadores de su toxicidad ambiental y los efectos subsiguientes en el ecosistema (5). Finalmente, la almeja S. plana se ha utilizado como biomarcador de contaminación ambiental mediante estudios de proteómica redox y MALDI-MSI, ambos ellos facilitados por la secuenciación previa de su transcriptoma (6) y la optimización de la preparación de muestras para estudios de imagen molecular. Este molusco bivalvo modifica el estado redox de sus proteínas como mecanismo de adaptación a la presencia de metales pesados, induciendo procesos biológicos relacionados con el metabolismo proteico, activando enzimas proteolíticas como catepsinas, y a través de la regulación de enzimas glicolíticas activándolas e inactivándolas de manera selectiva para prevenir la toxicidad. Así, de manera complementaria se ha generado el primer mapa peptídico y lipídico de esta almeja al completo, encontrándose cambios en la expresión peptídica en respuesta a contaminación ambiental, así como lípidos característicos de organismos acuáticos y su distribución en los distintos órganos de S. plana.
3.conclusión Un protocolo de extracción de proteínas en condiciones alcalinas del microbioma de suelo ha sido desarrollado y optimizado, obteniendo fracciones proteicas de calidad para su estudio por LC-MS/MS. Esta identificación proteica ha sido posible gracias a la utilización de una base de datos interna basada en un análisis previo del ARNr 16S que informaba de las comunidades microbianas presentes. A continuación, se ha aplicado en un estudio ambiental en el Parque Nacional de Doñana estudiando el microbioma, identificando zonas con menor diversidad microbiana y alteraciones biológicas en respuesta a cambios ambientales en contraposición con zonas limpias y mayor salud medioambiental.
Los estudios metagenómicos han permitido conocer como modifican sus poblaciones el microbioma en presencia de distintos contaminantes convencionales y emergentes. Así, determinadas familias pueden ser usadas como biomarcadores de estos contaminantes.
Se ha descrito el primer transcriptoma de novo y proteoma de referencia para el bivalvo S. plana representando un avance significativo en el uso de esta especie para comprender los efectos moleculares de la contaminación y su empleo biomarcador de salud ambiental. Esto ha permitido estudios del estado redox en este organismo, el cual modifica el estado oxidativo de sus proteínas como mecanismo de adaptación a la presencia de metales pesados. Complementariamente, se ha analizado este bivalvo por MALDI-MSI, optimizando un protocolo para la preparación de muestra y llevando a cabo el primer mapa peptídico y lipídico de S. plana al completo.
4. bibliografía 1. Daughton CG, Tenes TA (1999) Environ Health Pespect 107:907-38.
2. Sital T, Luckenbach T, et al (2004) Mut Res 552:101-17.
3. Blasco J, Corsi I, Matranga V (2015) Mar Environ Res 111:1-4.
4. Roose P, Albaigés J, et al (2011). Chemical Pollution in Europe’s Seas: Programmes, Practices and Priorities for Research, Marine Board Position Paper 16. Calewaert JB and McDonough N (Eds.). Marine Board-ESF, Ostend, Belgium.
5. Herruzo-Ruiz AM, Fuentes-Almagro CA, et al (2021). Environmental Microbiology, 23(8), 4706–4725.
6. Amil-Ruiz F, Herruzo-Ruiz AM, et al. (2021). Genomics, 113(3), 1543–1553.
