Isolation and characterization of Acidiphilium sp. PM, a nickel-resistant electrigen from Río Tinto

Patxi San Martín Úriz

Departamento de Planetología y Habitabilidad

Año 2015

Acidiphilium is a conspicuous member of acidic environments, where it grows heterotrophically using O2 and Fe3+ as electron acceptors. In 2008, a Río Tinto Acidiphilium isolate was identified that coupled glucose oxidation with direct transfer of electrons to graphite electrodes even in the presence of oxygen. This opened the door to the use of aerobic anodes in microbial fuel cells, which would greatly simplify their design. This PhD thesis is part of a long-term, trans-disciplinar, multi-laboratory plan to characterize this Acidiphilium isolate. As part of this thesis, the genome of Acidiphilium sp. PM has been sequenced and annotated and its metabolism has been partially reconstructed. This has allowed the identification of central metabolic pathways and has permitted comparative genomic studies with other Acidiphilium strains. In addition, a DNA genomic microarray has been constructed that enables whole-genome transcriptional studies as well as comparative genomic hybridizations. Furthermore, this work has seeked to characterize Acidiphilium sp. PM resistance to heavy metals. In particular, its remarkable ability to withstand Ni has been examined using different approaches. On the one hand, a functional screening of a genomic library of Acidiphilium sp. PM allowed the identification of Ni-resistance determinants. On the other hand, whole-genome transcriptomics and proteomics revealed the rapid programmed response triggered by Ni, which ultimately leads to cell growth arrest. Differential gene expression analysis also allowed the identification of certain enzymes as potential primary targets of Ni toxicity. 

Acidiphilium es un habitante habitual de ambientes ácidos, donde crece heterotróficamente usando O2 y Fe3+ como aceptores de electrones. En 2008, se aisló de Río Tinto una cepa de Acidiphilium capaz de acoplar la oxidación de glucosa con la transferencia directa de electrones a electrodos de grafito. Este descubrimiento abrió la puerta al uso de ánodos aerobios en pilas de combustible microbianas, lo que simplificaría significativamente su diseño. Esta tesis forma parte de un plan a largo plazo llevado a cabo por un grupo transdisciplinar de laboratorios que intenta caracterizar en profundidad esta cepa. Como parte de esta tesis, el genoma de Acidiphilium sp. PM ha sido secuenciado y anotado y su metabolismo ha sido parcialmente reconstruido. Esto ha permitido la identificación de rutas del metabolismo central y la comparación del genoma de Acidiphilium sp. PM con los de otras cepas del género. Además, se ha construído un microarray de ADN genómico que permite realizar estudios transcripcionales a nivel de todo el genoma, así como hibridaciones comparativas entre genomas. Por otra parte, este trabajo ha perseguido caracterizar la resistencia de Acidiphilium sp. PM a metales pesados. En concreto, se ha examinado su inusual capacidad de resistir Ni mediante distintas metodologías. Por un lado, el análisis funcional de una librería genómica de Acidiphilium sp. PM ha permitido identificar genes involucrados en resistencia a Ni. Por otro lado, estudios de transcriptómica y proteómica a nivel de todo el genoma han revelado que el Ni desencadena una rápida respuesta programada que, en última instancia, lleva a una parada del crecimiento celular. Los análisis de expresión diferencial de genes también han llevado a la identificación de varias enzimas como potenciales dianas principales de la toxicidad causada por el Ni.

Datos de interés

Supervisores: Ricardo Amils
Universidad: Universidad Autónoma de Madrid, Departamento de Biología Molecular; Centro de Astrobiología
Fecha de lectura: 13/03/2015

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