Mineração gênica e prospecção de compostos do metabolismo secundário de bactérias isoladas de sedimentos dos rios Madeira e Solimões
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Orientador
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Gilvan Ferreira Silva
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Hector Henrique Ferreira Koolen
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Claudia Afras de Queiroz
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Editora
Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA
Resumo
A Amazônia, com sua vasta bacia hidrográfica e diversidade de ecossistemas, abriga uma grande variedade de espécies bacterianas, incluindo Bacillus e Streptomyces, conhecidas por seu potencial na produção de moléculas de interesse biotecnológico. Com os avanços das tecnologias de sequenciamento de nova geração (NGS) e a mineração genômica, a identificação de clusters gênicos biossintéticos (BGCs) envolvidos na biossíntese de novos metabólitos se tornou uma abordagem essencial na descoberta de compostos bioativos. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar linhagens bacterianas isoladas dos rios Madeira e Solimões, investigando sua capacidade de inibir o crescimento de fitopatógenos, promover o crescimento vegetal e produzir enzimas e metabólitos secundários de interesse. O estudo, realizado envolveu a análise de seis linhagens bacterianas (MAD34, MAD51, MAD1003, MAD142, SOL105 e SOL146), das quais quatro tiveram seus genomas sequenciados. Os genomas apresentaram tamanhos variando de 4.664.203 pb a 6.244.542 pb, com conteúdo G+C entre 66,6% e 72,0% e regiões codificadoras (CDS) entre 4.304 e 8.066. Análises comparativas revelaram a presença de três novas espécies: MAD51, MAD1003 e SOL105, com valores de dDDH abaixo do ponto de corte de 70% (46,4% a 54,9%), também corroborado com valores de ANI e AAI menor que o ponto de corte para novas espécies. A análise de pangenoma indicou a presença de genes únicos relacionados à biossíntese de antibióticos como fenazina, ligação de íons metálicos, processo biossintético da piridoxina, ligação de ATP e processos virais. Ensaios funcionais demonstraram o potencial das linhagens para a produção de enzimas extracelulares, sideróforos, solubilização de fosfato e produção de ácido indolacético (AIA), com destaque para as linhagens MAD142 (67,0 µg mL-¹) e SOL146 (70,8 µg mL-¹). Nos testes de antagonismo, a linhagem MAD34 apresentou os melhores resultados, com índices de inibição variando de 54,70% a 90,47% contra diferentes fitopatógenos. As linhagens Bacillus sp. MAD142 e Streptomyces sp. MAD51 também se destacaram, com taxas de inibição acima de 70% e 50%, respectivamente, sendo os menores índices observados para Stenotrophomonas SOL105. A mineração genômica revelou a presença de BGCs com vias já caracterizadas para a biossíntese de diversos metabólitos, como policetídeos (tetracenomicina C, pigmento de esporo e flaviolina), sideróforos e peptídeos não ribossomais (NRPs). A linhagem MAD34 apresentou um total de 17 BGCs, sendo seis com similaridade menor que 50%. Já a linhagem MAD51 exibiu 39 clusters, com 10 BGCs apresentando similaridade acima de 80%. A MAD1003 apresentou 24 clusters, sendo nove com similaridade acima de 80%. Por fim, a SOL105 apresentou a menor quantidade de BGCs, com um total de quatro clusters e similaridade de 57%. Esses resultados reforçam a importância da bioprospecção em ecossistemas amazônicos para a identificação de novos recursos genéticos com foco no desenvolvimento de soluções sustentáveis para a agricultura.
Abstract:
The Amazon, with its vast river basin and diversity of ecosystems, is home to a
wide variety of bacterial species, including Bacillus and Streptomyces, known for
their potential in the production of molecules of biotechnological interest. With
advances in next-generation sequencing (NGS) technologies and genome
mining, the identification of biosynthetic gene clusters (BGCs) involved in the
biosynthesis of new metabolites has become an essential approach in the
discovery of bioactive compounds. In this context, the present work aimed to
evaluate bacterial strains isolated from the Madeira and Solimões rivers,
investigating their ability to inhibit the growth of phytopathogens, promote plant
growth and produce enzymes and secondary metabolites of interest. The study
involved the analysis of six bacterial strains (MAD34, MAD51, MAD1003,
MAD142, SOL105 and SOL146), four of which had their genomes sequenced.
The genomes had sizes ranging from 4,664,203 bp to 6,244,542 bp, with G+C
content between 66.6% and 72.0% and coding regions (CDS) between 4,304 and
8,066. Comparative analyzes revealed the presence of three new species:
MAD51, MAD1003 and SOL105, with dDDH values below the cutoff point of 70%
(46.4% to 54.9%), also corroborated with ANI and AAI values lower than the
cutoff point for new species. A pangenome analysis indicated the presence of
unique genes related to the biosynthesis of antibiotics such as phenazine, metal
ion binding, pyridoxine biosynthetic process, ATP binding and viral processes.
Functional assays demonstrated the potential of the strains for the production of
extracellular enzymes, siderophores, phosphate solubilization and production of
indoleacetic acid (IAA), with emphasis on strains MAD142 (67.0 µg mL-¹) and
SOL146 (70.8 µg mL-¹). In antagonism tests, the MAD34 strain presented the
best results, with inhibition rates ranging from 54.70% to 90.47% against different
phytopathogens. The Bacillus sp. MAD142 and Streptomyces sp. MAD51 also
stood out, with protection rates above 70% and 50%, respectively, being the
lowest rates collected for Stenotrophomonas SOL105. Genomic mining revealed
the presence of BGCs with already described pathways for the biosynthesis of
several metabolites, such as polyketides (tetracenomycin C, spore pigment and
flaviolin), siderophores and non-ribosomal peptides (NRPs). The MAD34 lineage
presented a total of 17 BGCs, six of which had similarity less than 50%. The
MAD51 lineage exhibited 39 clusters, with 10 BGCs showing similarity above
80%. MAD1003 presented 24 clusters, nine of which had similarity above 80%.
Finally, SOL105 presented a smaller number of BGCs, with a total of four clusters
and a similarity of 57%. These results reinforce the importance of bioprospecting
in Amazonian ecosystems for identifying new genetic resources with a focus on
developing sustainable solutions for agriculture.