Enciclopedia Genómica de Bacterias y Arqueas

El proyecto GEBA (Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea) está enfocado en llenar los espacios en blanco que encontramos en el árbol de la vida de las arqueas y las bacterias. La idea de este proyecto es muy simple: Contamos actualmente con más de 1000 genomas de procariotas secuenciados –o cerca de ser terminados- todos ubicados en el GenBank. Todos estos genomas han sido decodificados por intereses específicos, ya sean clínicos, biotecnológicos, farmacéuticos, etc, y no por su importancia evolutiva. Los que dan plata par secuenciar el genoma de un organismo lo hacen porque quieren obtener un beneficio económico posteriormente; una aplicación específica en la industria o que permita desarrollar nuevos mecanismos para contrarrestar el efecto de ciertos patógenos; y no porque se quiere saber como ha evolucionado o cual es su relación filogenética con otros organismos.

GEBA secuenciará el genoma de 100 organismos basado en su posición filogenética dentro del árbol de la vida de los procariotas, que está hecho en base al ARN ribosomal que codifica la subunidad pequeña del ribosoma. La primera tanda de 56 genomas (53 de bacterias y 3 de arqueas) ha sido publicado esta semana de Nature (el paper lo pueden descargar ya que está bajo una licencia de Creative Commons).

Fig 1.  Árbol filogenético usando el modelo Maximum-likelihood de dominios de bacterias basado en alineamientos concatenados de 31 genes codificantes altamente conservados. Los phylum se distinguen por el color de la rama y los genomas GEBA están indicados de color rojo en el nombre de las especies.

De todos los candidatos, primero se seleccionaron 200 cepas, que englobaban a casi todas las Bacterias y Arqueas. Se tomaron también a representantes del phylum Actinobacteria por su alta diversidad genotípica y fenotípica y por tener el más bajo porcentaje de organismos secuenciados que cualquier otro phylum (1% versus un promedio de 2.3%). De los 200, se seleccionaron a 159 gracias a su capacidad de obtener buena cantidad y calidad de ADN. Y de todos ellos, se reportaron de los primeros 56 genomas cuya fase de secuenciamiento ya ha sido finalizada.

Los investigadores crearon un “árbol genómico” (Fig 1) de todos los genomas bacterianos que ya han sido completados, juntamente con los GEBA, para ver su contribución relativa a la medida de diversidad filogenética. Se observó que las bacteria GEBA daban de 2.8 a 4.4 veces más diversidad filogenética que al usar un muestreo aleatorio.

Este método no sólo tiene un efecto sobre la diversidad filogenética, también se pudo descubrir y caracterizar nuevas familias de genes; así como nuevas funciones para las proteínas. Ellos pudieron encontrar, usando GEBA, un promedio de 1060 familias de proteínas por genoma. Muestreando dentro de una especie de bacteria (Ej. Streptococcus agalactiae) se encontraban un promedio de 121 familias de proteínas por genoma; dentro de una familia (Ej. Enterobacteriaceae) un promedio de 307 y dentro de un phylum (Ej. Actinobacteria) un promedio de 649. Además, se descubrió 1768 familias que no parecen tener ninguna similaridad con otra familia conocida, indicando la presencia de funciones novedosas en los procariotas. Las proteínas con funciones novedosas son muy importantes  porque permiten relacionar a homólogos evolutivamente distantes.

No sólo eso, también se pueden encontrar proteínas con funciones conocidas en organismos que, al parecer, no cumplen con esas funciones. De los 56 organismos GEBA estudiados, sólo se sabía que 2 eran degradadores de celulosa. Al estudiar todo este grupo de genomas se encontró una gran variedad de genes que codifican para enzimas que hidrolizan glucósidos como la celulosa y hemicelulosa (Glucósidos hidrolasas, GH). Se encontraron 28 miembros filogenéticamente divergentes de la familia GH6 y 7 de la familia GH48. En el arquea halófilo Halorhabdus utahensis, que se sabe tiene actividad B-xilanasa y B-xilosidasa, posee un grupo de genes que incluyen a 2 B-xilanasas miembros de la familia GH10 y otros 6 nuevos miembros de la familia GH5 sin función conocida. Esto puede tener una gran importancia en la industria biotecnológica, en la producción de biocombustibles y etanol a partir de residuos celulósicos, uno de los santo griales de la biotecnología verde.

También se encontraron  nuevas unidades CRISPR y se ha descubierto un homólogo a la actina en Haliangium ochraceum. Los procariotas no tienen actina -esta es exclusiva de los eucariotas- en vez de ella tienen una proteína llamada MreB que tiene una función similar a la actina pero no son homólogos, en otras palabras, no han tenido un mismo origen evolutivo. Pero, H. ochraceum codifica una proteína que es de la familia de las actinas llamada BARP (bacterial actin-related protein), aunque aún no se ha determinado su función específica, se sospecha que es un ortólogo de la MreB y es importante cuando el microorganismo pasa al estado de mixobacteria.

En conclusión, seleccionar a los microorganismos que van a ser secuenciados en base a consideraciones filogenéticas ofrece mayores beneficios que seleccionarlos en base a su importancia económica o aplicativa. Se estima que será necesario secuenciar al menos unos 1520 genomas para alcanzar la mitad de la diversidad filogenética de los procariotas conocidos cultivables.

Wu, D., Hugenholtz, P., Mavromatis, K., Pukall, R., Dalin, E., Ivanova, N., Kunin, V., Goodwin, L., Wu, M., Tindall, B., Hooper, S., Pati, A., Lykidis, A., Spring, S., Anderson, I., D’haeseleer, P., Zemla, A., Singer, M., Lapidus, A., Nolan, M., Copeland, A., Han, C., Chen, F., Cheng, J., Lucas, S., Kerfeld, C., Lang, E., Gronow, S., Chain, P., Bruce, D., Rubin, E., Kyrpides, N., Klenk, H., & Eisen, J. (2009). A phylogeny-driven genomic encyclopaedia of Bacteria and Archaea Nature, 462 (7276), 1056-1060 DOI: 10.1038/nature08656

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