Mining a bioremediation genetic toolbox in the novel environmental bacteria Enterobacter cloacae strain amazonensis

Explorando uma ferramenta genética de biorremediação na nova bactéria ambiental Enterobacter cloacae cepa amazonensis

Autores

Palavras-chave:

mercury, environmental bacteria, bioprospecting

Resumo

The rise of environmental pollution is a threat to planetary and human health. Microbes encode a wide range of enzymes with sophisticated catalytic properties to mitigate toxic chemicals from nature. Bioprospecting environmental bacteria can be a powerful resource for improved enzymes to optimize bioremediation processes. Here, we present a promising genetic toolbox sequenced from a novel multi-resistant bacterial strain isolated from industrial wastewater and sewage-contaminated stream in the city of Manaus, Amazonas, Brazil. We report Enterobacter cloacae amazonensis as a highly heavy-metal resistant and antibiotic multi-resistant strain. Functional and comparative genomics of the E. cloacae strain amazonensis draft genome revealed the annotation of 104 genes encoding proteins involved in the metabolism of copper, cobalt, zinc, cadmium, chromium, mercury and arsenic, as well as a plethora of broad-spectrum resistant genes. As a proof of concept, we characterized a plasmid mobile element from the amazonensis strain, pEN_Amazonensis, in the model biotechnological workhorse E. coli, leading to the robust acquisition of mercury and antibiotic resistance. Here, we highlighted the potential of bioprospecting genetic novelty from environmental bacteria through comparative genomics, paving the way for a genetic toolbox for bioremediation processes.

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Biografia do Autor

Elen Bethleen de Souza Carvalho, Universidade Federal do Amazonas, Brasil

Graduada em Ciências Biológicas pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM) em 1996.Pós-Doutorado no Programa de Pós-Graduação em Biodiversidade e Biotecnologia da Rede Bionorte (06/2016 a 05/2021).Doutora em Biotecnologia pelo PPGBiotec/UFAM (2011-2015).Mestre em Genética e Evolução pela Universidade Federal de São Carlos (1997-2000). É sócia-administradora da startup Norte Genômica Soluções Moleculares, onde coordena o projeto de desenvolvimento de um kit de diagnóstico molecular rápido para bactérias envolvidas em sepse (Programa Centelha -2019).Participa em projetos de pesquisa em diagnóstico e sequenciamento de SARs-CoV-2.Participa do projeto de desenvolvimento de terapia genética baseada em vetor viral multialvo para o tratamento do Alzheimer. Colabora como coordenadora dos cursos de Pós-Graduação lato-sensu na Escola Superior Batista do Amazonas

Pablo Alessandro Barbosa Viana, Instituto Gonçalo Moniz, Fundação Oswaldo Cruz, Brazil

Mestrando no Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia em Saúde e Medicina Investigativa (PGBSMI) no Instituto Gonçalo Moniz - Fiocruz-Bahia, na área de Biologia Computacional Aplicada à Saúde. Possui graduação em Biotecnologia pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM-2019), graduação em Ciências da Computação pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE-2008), especialização lato sensu em Aplicações Complementares às Ciências Militares pela Escola de Formação Complementar do Exército (EsFCEx-2011) e especialização lato sensu em Ciências Militares com ênfase na área do Quadro Complementar de Oficiais pela Escola de Aperfeiçoamento de Oficiais (EsAO-2019). Atualmente é bolsista da Fiotec e trabalha em seu projeto de mestrado no Centro de Integração de Dados em Saúde (CIDACS) da Fiocruz/IGM em parceria com o laboratório BIOME (Bioinformática e Ecologia) do Instituto de Biologia (IBio) da Universidade Federal da Bahia (UFBA). Tem experiência na área de Ciência da Computação e Bioinformática, com ênfase em Análise de Algoritmos, Desenvolvimento de Sistemas e Análise de Dados.

Maria Clara Tavares Astolfi, University of California Berkeley & San Francisco, United States

Atualmente, Maria Astolfi é Strain Engineer (Engenheira de Linhagens) na Ginkgo Bioworks. É formada Biotecnóloga pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM) em 2018. Iniciou sua trajetória científica aos 16 anos, quando co-fundou o Núcleo de Biologia Sintética do Amazonas em 2013. Foi instrutora e juíza da Competição iGEM (International Genetically Engineered Machines) organizada primeiramente pelo MIT (EUA), onde já ganhou diversas premiações. Tem experiência em biologia sintética e regulação da expressão gênica, com ênfase em design de circuitos genéticos em sistemas bacterianos. Trabalhou com técnicas como CRISPR/Cas9 e abordagens como engenharia de promotores de transcrição sintéticos. Na Ginkgo Bioworks, trabalha com engenharia metabólica de levedura para produção de fragrâncias e essências utilizando sistemas high-throughput e automação. Atualmente, em parceria da Ginkgo Bioworks e Illumina, desenvolve métodos de diagnóstico de SARS-COV-2 em larga escala utilizando sequenciamento de nova geração. E-mail profissional: mastolfi@ginkgobioworks.com https://www.linkedin.com/in/mariaastolfi/

Adriane Menezes de Barros, Universidade Federal do Amazonas, Brazil

Sou graduada em Biotecnologia pela UFAM (2017). Tive a oportunidade de participar do desenvolvimento, coordenação e levantamento de recursos de projetos vencedores de medalhas de ouro e prata na competição internacional iGEM (International Genetically Engineered Machine) pelas equipes de biologia sintética amazonenses (2014, 2016). Minha experiência em biologia sintética, biologia molecular e regulação da expressão gênica, especialmente em circuitos genéticos de sistemas bacterianos, me permitiu atuar como mentora da competição iGEM e contribuir para a premiação de diversas equipes internacionais. Além disso, exerci a função de juíza na competição organizada anualmente pelo MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts - EUA). Como biotecnóloga de alto desempenho, tenho uma paixão por biologia sintética e molecular, além de oito anos de experiência acadêmica impactando positivamente os resultados organizacionais através da inovação, resolução de problemas e liderança de equipe. Sou confiante na minha capacidade de colaborar e se comunicar com equipes multifuncionais para resolver problemas complexos, de alto risco e urgentes, e estou comprometida com a melhoria contínua e o sucesso da equipe. Além disso, tenho interesse em bioinformática e experiência em análise de dados.

Marcelo Valente Pinto Pinto, Universidade Federal do Amazonas, Brazil

Graduado em biotecnologia pela Universidade Federal do Amazonas (UFAM)

 

 

Spartaco Astolfi Filho, Universidade Federal do Amazonas, Brasil

Natural de Oswaldo Cruz (SP), formou-se Bacharel em Ciências Biológicas pela UnB em 1975, Mestre em Biologia Molecular pela UnB 1978 e Doutor em Ciências pela UFRJ em 1987. Realizou em 1988-1989 Pós-Doutorado na área de Engenharia Genética no Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Manchester (UK). Foi professor de Biologia Molecular e Engenharia Genética da Universidade de Brasília no período de 1978 a 1994 onde foi chefe do Departamento de Biologia Celular e coordenador dos Cursos de Graduação em Ciências Biológicas e de Pós-Graduação em Biologia Molecular. No citado período, em colaboração com o Centro de Biotecnologia da UFRGS desenvolveu a tecnologia de produção de Taq DNA polimerase e em parceria com a BIOBRÁS - Bioquímica do Brasil S/A desenvolveu a tecnologia de produção de insulina humana por engenharia genética e fermentação bacteriana. Em 1995 transferiu-se para a Universidade Federal do Amazonas (UFAM) onde contribuiu na implementação de um arrojado programa de formação de recursos humanos em biotecnologia e atuou na concepção e implantação do Centro de Biotecnologia da Amazônia (CBA). Participou da idealização, implantação e coordenou no período de 2002 a 2006 o Programa Multi-Institucional de Pós-Graduação em Biotecnologia (PPG-BIOTEC) e a Rede Genômica da Amazônia Legal (REALGENE). Coordenou o Comitê Científico da Rede BIONORTE (2009 -2011) e em seguida (2012-2017) foi Coordenador Geral de seu Programa de Pós-Graduação (PPG-BIONORTE). Em colaboração com a Cristália Produtos Químicos Farmacêuticos Ltda desenvolveu a tecnologia de produção de hormônio de crescimento humano (CRISCY) e atualmente integra o Comitê de Inovação da referida empresa. Nesse momento de pandemia de Covid-19, juntamente com pesquisadores da UFAM e FIOCRUZ, tem atuado no desenvolvimento e aplicação de metodologias de diagnóstico do SARS CoV-2 baseadas tanto em procedimentos imunológicos como de biologia molecular. Orientou até o momento 77 dissertações, 47 teses e publicou 124 artigos científicos. Aposentou em 2017 como Professor Titular de Engenharia Genética do Departamento de Genética da UFAM, onde continua atuando até o momento como Pesquisador do CNPq e Professor Emérito.

Referências

ABDOLLAHI, S.; GOLCHIN, A.; SHAHRYARI, F. Lead and cadmium-resistant bacterial species isolated from heavy metal-contaminated soils show plant growth-promoting traits. International Microbiology, Zanjan, v. 23, n 4, p. 625-640, jun. 2020. Doi:10.1007/s10123-020-00133-1. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32533267/.

ASHE K. Concentrações Elevadas de Mercúrio em Humanos de Madre de Dios Peru. PLoS ONE, Stanford, V.7, n.3, p.1-6, Mar. 2012. Disponivel em: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0033305.

ASTOLFI, M.C.T.; CARVALHO, E.B.S.; DE BARROS, A.M. et al. Draft Genome Sequence of the Novel Enterobacter cloacae Strain amazonensis, a Highly Heavy Metal-Resistant Bacterium from a Contaminated Stream in Amazonas, Brazil. Genome Announc, Manaus, v. 6, n. 22, p. 450, mai. 2018. DOI: 10.1128/genomeA.00450-18. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29853502/.

AZEVEDO-SILVA, C. E.; ALMEIDA, R.; CARVALHO, D.P. et al. Mercury biomagnification and the trophic structure of the ichthyofauna from a remote lake in the Brazilian Amazon. Environmental Research, Manaus, v. 151, p. 286-296, jun. 2016. DOI: 10.1016/j.envres.2016.07.035. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27517756/.

AZIZ, R.K.; BARTELS, D.; BEST, A.A. et al. The RAST Server: Rapid Annotations using Subsystems Technology. BMC Genomics, Rio de Janeiro, v. 9, n. 75. Fev. 2008. DOI: 10.1186/1471-2164-9-75. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18261238/

BARKAY, T.; MILLER, S.M.; SUMMERS, A.O. Bacterial mercury resistance from atoms to ecosystems. FEMS Microbiology Reviews, New Brunswick, v. 27, n. 2-3, p. 355-384. Jun. 2003. DOI: 10.1016/S0168-6445(03)00046-9. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12829275/.

BETTY H. OLSON, JOHN N. LESTER, SANDY M. CAYLESS, SIMON FORD, Distribution of mercury resistance determinants in bacterial communities of river sediments,Water Research, New Brunswick, v. 23, n. 10, p. 1209-1217, Out. 1989. DOI: 10.1016/S0168-6445(03)00046-9. Disponivel em: https://doi.org/10.1016/0043-1354(89)90183-8.

BOYD, E.S.; BARKAY, T. The mercury resistance operon: From an origin in a geothermal environment to an efficient detoxification machine. Frontiers in Microbiology, Bozeman, v.3, n. 349, p. 1-13, Out. 2012. Doi: 10.3389/fmicb.2012.00349. Disponivel em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3466566/pdf/fmicb-03-00349.pdf.

CHEN, J.; LI, J.; ZHANG, H. et al. Bacterial heavy-metal and antibiotic resistance genes in a copper tailing dam area in northern China. Frontiers in Microbiology, Taiyuan, v. 10, n. 1916, p. 1-12, ago. 1916. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01916. Disponivel em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6710345/pdf/fmicb-10-01916.pdf

PAL, C.; BENGTSSON-PALME, J.; KRISTIANSSON, E.; LARSSON, D.G.J. (2015) Co-occurrence of resistance genes to antibiotics, biocides and metals reveals novel insights into their co-selection potential. BMC Genomics, Taiyuan, v. 16, n. 964, p. 1-12. agosto, 2019. Doi: 10.3389/fmicb.2019.01916. eCollection 2019. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31481945/.

CHIHOMVU, P.; STEGMANN, P.; PILLAY, M. Characterization and Structure Prediction of Partial Length Protein Sequences of pcoA , pcoR and chrB Genes from Heavy Metal Resistant Bacteria from the Klip River, South Africa. International Journal of Molecular Sciences, Vanderbijlpark, v. 16, n. 4, p. 7352-7374. Março, 2015. Doi:10.3390/ijms16047352. Disponivel em: https://www.mdpi.com/journal/ijms.

HU, N.; ZHAO, B. Key genes involved in heavy-metal resistance in Pseudomonas putida CD2. FEMS Microbiology Letters, Wuhan, v. 267, n. 1, p. 17-22, fev. 2007. Doi: 10.1111/j.1574-6968.2006.00505.x. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17166231/.

IRAWATI, W.; TAHYA, C. Y. Copper Removal by Enterobacter cloacae strain IrSuk1, Enterobacter cloacae strain IrSuk4a, and Serratia nematodiphila strain IrSuk13 Isolated from Sukolilo River-Indonesia. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Punjab, v. 1053, n. 1, p. 012038, fev. 2021. Doi: 10.1007/s00284-023-03194-3. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36745203/.

JANSSEN, P.J.; VAN HOUDT, R.; MOORS, H. et al. The complete genome sequence of Cupriavidus metallidurans Strain CH34, a master survivalist in harsh and anthropogenic environments. PLoS One, Upton, v. 5, n. 5, p. 1-33. Mai. 2010. Doi: 10.1371/journal.pone.0010433. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20463976/.

JOHNSON, H.; CHO, H.; CHOUDHARY, M. Bacterial Heavy Metal Resistance Genes and Bioremediation Potential. Computational Molecular Bioscience, Huntsville, v. 9, n.1, p. 1-12. Mar. 2019. DOI:10.4236/cmb.2019.91001. Disponivel em: https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=90664.

LIEBERT, C.A.; HALL, R.M.; SUMMERS, A.O. Transposon Tn21, Flagship of the Floating Genome. Microbiology and Molecular Biology Reviews, Athens, v. 63, n. 3, p. 507-522, set. 1999. DOI: 10.1128/MMBR.63.3.507-522.1999. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10477306/.

LIN, C.-C., YEE, N., AND BARKAY, T. “Microbial transformations in the mercury cycle,” in Environmental Chemistry and Toxicology of Mercury, eds C. Liu, C. Yong and N. O’driscoll (Hoboken, NJ: JohnWiley & Sons, Inc.), New Brunswick, 155–191, nov. 2012. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118146644.ch5. Disponivel em: https://scholarship.libraries.rutgers.edu/esploro/outputs/991031666219604646

MARTINS, V.V.; ZANETTI, M.O.B.; PITONDO-SILVA, A.; STEHLING, E.G. Aquatic environments polluted with antibiotics and heavy metals: A human health hazard. Environmental Science and Pollution Research, Ribeirão Preto, v. 21, n. 9, p. 5873-5878, jun. 2014. DOI 10.1007/s11356-014-2509-4. Disponivel em: file:///C:/Users/dinan/Downloads/s11356-014-2509-4.pdf.

MISHRA S. RAM NARESH BHARAGAVA; NANDKISHOR MORE;ASHUTOSH YADAV; SURABHI ZAINITH; SUJATA MANI; PANKAJ CHOWDHARY. Heavy Metal Contamination: An Alarming Threat to Environment and Human Health. Em: SOBTI R., ARORA N., KOTHARI R. (eds) Environmental Biotechnology, Amman, Vol.9 No.12, p. 100-117, Dez, 2021. DOI: 10.4236/gep.2021.912007. Disponivel em: https://doi.org/10.1007/978-981-10-7284-0_5.

MONCHY, S., VALLAEYS, T., BOSSUS A, MERGEAY M. Metal transport ATPase genes from Cupriavidus metallidurans CH34: a transcriptomic approach. Int J Environ Anal Chem, v. 86, n. 9, p. 677- 692, ago. 2006. DOI:10.1080/03067310600583824. Disponivel em: file:///C:/Users/dinan/Downloads/ArticleATPases.pdf

MORAES, W.A.; NAHUM, C.A.; MELO, J.D.G.; DE OLIVEIRA, I.S. Analysis of physico- chemical parameters of waters of the micro basin of the igarapé of the forty in the city of Manaus. Journal of Engineering and Technology for Industrial Applications. ITEGAM-JETIA, Manaus. n. 4, v.14, p. 102-110, jun. 2018. DOI: https://dx.doi.org/10.5935/2447-0228.20180039. Disponivel em: https://itegam-jetia.org/journal/index.php/jetia/article/view/36/19.

NASCIMENTO A.M.; CHARTONE-SOUZA E. OPERON mer: bacterial resistance to mercury and potential for bioremediation of contaminated environments. Genetics and Molecular Research, Belo Horizonte, v. 2, n. 1, p. 92-101. Mar. 2003. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12917805/.

NIES, D.H. Efflux-mediated heavy metal resistance in prokaryotes. FEMS Microbiology Reviews, Halle/Saale, v. 27, n. 2-3, p. 313-339, Jun. 2003. Doi.org/10.1016/S0168-6445(03)00048-2. Disponivel em: https://academic.oup.com/femsre/article/27/2-3/313/615199.

OKEREAFOR, U.; MAKHATHA, M.; MEKUTO, L. et al. Toxic Metal Implications on Agricultural Soils, Plants, Animals, Aquatic life and Human Health. International Journal of Environmental Research and Public Health, Johannesburg, v. 17, n. 7, mar. 2020. Doi: 10.3390/ijerph17072204. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32218329/

PUROHIT, H. J., TIKARIHA, H., AND KALIA, V. C. “Current scenario on application of computational tools in biological systems,” in Soft Computing for Biological Systems, eds H. J. PUROHIT, V. C. KALIA, AND M. R. Prabhakar (Springer), Singapore, p.1-12, fev. 2018. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7455-4_1.

REDONDO-SALVO, S.; FERNÁNDEZ-LÓPEZ, R.; RUIZ, R. et al. Pathways for horizontal gene transfer in bacteria revealed by a global map of their plasmids. Nature Communications, Santander, v. 11, n. 3602, p. 1-13, Jul. 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17278-2. Disponivel em: https://www.nature.com/articles/s41467-020-17278-2.pdf.

ROSS, W.; PARK, S.J.; SUMMERS, A. Genetic Analysis of Transcriptional Activation and Repression in the Tn21 mer operon. Journal of Bacteriology, Athens v. 171, n.7, p. 4009-4018. Jul. 1989. doi: 10.1128/jb.171.7.4009-4018.1989. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2661542/

SANTANA, G.P. Sediment-distributed metal from the Manaus Industrial District (MID) Region (AM-Brazil). Journal of Chemical Engineering and Chemistry, manaus, v. 1, n. 2, p. 55-64, 2015. Doi:10.18540/2446941601022015055. Disponivel em: https://periodicos.ufv.br/jcec/article/view/2446941601022015055/pdf

VIANA, P.A.B.; CARVALHO, E.B.S.; DO NASCIMENTO, W.M. ET AL. Genomic Annotation Analysis Software – Ganas: A Tool For Genomic Annotation Analysis. Brazilian Journal of Development, Salvador, v.6, n. 11, p. 89125-89134. 2015.

VON NETZER, F., GRANITSIOTIS, M. S., SZALAY, A. R., AND LUEDERS, T. (2018). “Next-generation sequencing of functional marker genes for anaerobic degraders of petroleum hydrocarbons in contaminated environments,” in Anaerobic Utilization of Hydrocarbons, Oils, and Lipids. Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology, ed. M. Boll (Cham: Springer), Seattle, p. 1–20. Doi:10.1007/978-3-319-33598-8_15-1. Disponivel em: https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-319-50391-2_15

VON ROZYCKI, T.; NIES, D.H. Cupriavidus metallidurans: Evolution of a metal-resistant bacterium. Antonie van Leeuwenhoek, Halle, v. 96, n. 2, p. 115-139, ago. 2009. Doi: 10.1007/s10482-008-9284-5. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18830684/

VON WINTERSDORFF, C.J.H.; PENDERS, J.; VAN NIEKERK, J.M. et al. Dissemination of antimicrobial resistance in microbial ecosystems through horizontal gene transfer. Frontiers in Microbiology, Maastricht, v.7, n.173, p.1-10, Fev. 2016. Doi: 10.3389/fmicb.2016.00173. Disponivel em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26925045/.

WU, C.; LIN, C.; ZHU, X. ET AL. The β-lactamase gene profile and a plasmid-carrying multiple heavy metal resistance genes of enterobacter cloacae. International Journal of Genomics, Wenzhou, v. 2018, dez. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/4989602. Disponivel em: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6317114/pdf/IJG2018-4989602.pdf.

ZEYAULLAH, M.; ISLAM, B.; ALI, A. Isolation, identification and PCR amplification of merA gene from highly mercury polluted Yamuna river. African Journal of Biotechnology, New Delhi, v. 9, n. 24, p. 3510-3514, jul. 2010. Disponivel em: file:///C:/Users/dinan/Downloads/ajol-file-journals_82_articles_82390_submission_proof_82390-973-197875-1-10-20121019.pdf

ZHANG N-X, GUO Y, LI H, YANG X-Q, GAO C-X, HUI C-Y Versatile artificial mer operons in Escherichia coli towards whole cell biosensing and adsorption of mercury. PLoS ONE, Houston, v.16, n. 5, p. 1-14, mai. 2021. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252190. Disponivel em: file:///C:/Users/dinan/Downloads/journal.pone.0252190.pdf

ZHANG, Y.; JAEGLÉ, L.; THOMPSON, L. Natural biogeochemical cycle of mercury in a global three-dimensional ocean tracer model. Global Biogeochemical Cycles, Seattle, v. 28, n. 5, p. 553-570, mai. 2014. Disponivel em: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014GB004814

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Publicado

2024-05-31

Edição

2024: Global Impact

Seção

Articles