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Title: Métodos pós-genômicos aplicados à caracterização de população microbiana presente em biorreator de lixiviação de sulfeto de zinco.
Authors: Azevedo, Roberta D'Angelo
metadata.dc.contributor.advisor: Borges, William de Castro
Keywords: Biologia molecular
Lixiviação bacteriana
Sulfeto - zinco
Proteômica
Issue Date: 2011
Publisher: Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas. Núcleo de Pesquisas em Ciências Biológicas, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.
Citation: AZEVEDO, R. D. Métodos pós-genômicos aplicados à caracterização de população microbiana presente em biorreator de lixiviação de sulfeto de zinco. 2011. 71 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Biológicas) - Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2011.
Abstract: O processo de biolixiviação é uma alternativa menos agressiva ao meio ambiente para a remoção dos resíduos minerais. Os microrganismos responsáveis por este processo são as bactérias acidófilas, dentre as quais destacam-se as do gênero Acidithiobacillus que obtêm energia a partir da oxidação do ferro (II) ou enxofre elementar. Entretanto, pouco se conhece sobre os mecanismos bioquímicos envolvidos para que intervenções biotecnológicas possam ser empregadas no sentido de aperfeiçoar os processos de biolixiviação por elas desenvolvidos. Neste contexto, nosso grupo de pesquisa vem utilizando, nos últimos anos, abordagens pós-genômicas visando a caracterização de bioreatores. Dando continuidade a esta linha de investigação, este trabalho teve como objetivo identificar a comunidade microbiana envolvida no processo de biolixiviação de sulfeto de zinco e determinar níveis de expressão de genes envolvidos em vias centrais do metabolismo desses microrganismos. Microrganismos mantidos em um biorreator de lixiviação de sulfeto de zinco foram coletados por filtração para subsequente extração de proteínas. O perfil eletroforético da amostra, analisado por 1-DE e 2D-PAGE, revelou a integridade da preparação com proteínas distríbuídas por toda a faixa de ponto isoelétrico (pI) e com variedade de massa molecular. A análise comparativa do gel 2D entre a amostra cepa referência e a população microbiana do biorreator indicou semelhança relevante na distribuição dos spots no gradiente de pH 3-10. Após digestão em gel, as proteínas foram identificadas por espectrometria de massas através da busca por similaridade. Treze proteínas relacionadas à estrutura do carboxissoma e à oxidação do ferro (II) foram identificadas. Para simular as condições do biorreator foram realizados ensaios de biolixiviação em garrafas, nas quais os microrganismos foram mantidos por 50 dias e apresentaram taxa de extração de zinco de aproximadamente 50% e Eh próximo a 600 mV. Posteriormente, oito genes do operon carboxissoma e dois genes do operon de oxidação do ferro foram selecionados para correlacionar níveis de expressão com alterações em quatro condições de biolixiviação do reator. Nossos resultados indicaram que a concentração do zinco modula os níveis de expressão dos genes estudados. Isto nos permite sugerir que alterações transcricionais são necessárias e, portanto, passíveis de manipulação para se atingir patamar de eficiência desejável de lixiviação. A identificação de proteínas envolvidas na biolixiviação e a compreensão de sua regulação, são passos importantes para melhorar a eficácia da remoção dos resíduos minerais.
metadata.dc.description.abstracten: Bioleaching constitutes a suitable alternative for the removal of mineral wastes from industrial activities, therefore producing real benefits to the environment. The microorganisms mostly commonly associated to bioleaching are acidophilic bacteria, and the ones belonging to the Acidithiobacillus sp genre are known to extract energy from the oxidation of iron (II) or elemental sulfur to survive. In this scenario, these microbes merit attention due to their biotechnological potential. However, little is known about the biochemical mechanisms involved for the proposal of a more efficient bioreactor activity. In this context, our research group has been employing post- genomic approaches for the characterization of natural and industrial bioreactors. In the present work we aimed the identification of a microbial community involved in the process of zinc sulfide leaching and the understanding of the gene expression regulation, at central metabolic pathways, promoted by growth in the presence of this mineral. To accomplish this goal, microorganisms maintained in a zinc sulfide reactor were recovered by filtration for subsequent protein extraction. The electrophoretic profile of the protein preparation, evaluated by 1-DE and 2-DE, revealed the integrity of the crude extract with protein bands exhibiting a variety of molecular mass and isoelectric pI. A comparative 2-DE analysis between the Acidithiobacillus ferrooxidans reference strain and the bioreactor microbial population indicated a marked similarity for the distribution of protein spots in the pH range 3-10. In gel digestion of the total protein extract from the bioreactor sample, followed by nano-electrospray tandem mass spectrometry, allowed the identification of 13 proteins with the majority displaying identities to the carboxisome structure and to proteins involved in iron metabolism, all encoded by the A. ferrooxidans genome. In the presence of zinc sulfide both the reference strain and the bioreactor population took around 50 days to achieve approximately 50% zinc extraction and Eh 600 mV. Our next approach involved selection of ten genes, 8 from the carboxisome operon and 2 from the iron oxidation operon, to correlate their expression levels during microbial growth under four experimental conditions. Our results revealed that zinc modulate the expression profile of the investigated genes. This led us to suggest that transcriptional changes are necessary for cellular adaptation in the presence of zinc-containing mineral. The identification of proteins involved with the bioleaching process and the understanding of their regulation are important steps towards improving the efficiency of mineral waste removal.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2690
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