Biología e ingeniería genética de cianobacterias multicelulares

Las Cianobacterias son procariotas caracterizados por llevar a cabo la fotosíntesis oxigénica, constituyendo un grupo de organismos monofilético. Algunas especies en este filo son multicelulares y presentan fenómenos de diferenciación celular, encontrándose entre las bacterias más complejas. La multicelularidad implica la agregación y un comportamiento coordinado de las células, lo que requiere una comunicación intercelular. Las cianobacterias del orden Nostocales, como Nostoc o Anabaena, forman filamentos de decenas a cientos de células en los que éstas se comunican intercambiando nutrientes y reguladores, y en los que las células muestran una oscilación circadiana sincrónica. Estos organismos presentan procesos de diferenciación celular, destacando la formación de heterocistos, células especializadas en la fijación del nitrógeno atmosférico (N₂). Nuestro grupo usa algunas cianobacterias multicelulares como modelos para el estudio en las líneas de investigación que se describen a continuación.

 

1. Comunicación intercelular

Responsable: Enrique Flores

Las cianobacterias formadoras de heterocistos son organismos multicelulares en cuyos filamentos las células intercambian nutrientes y reguladores. Hemos descrito la presencia de un periplasma continuo a lo largo del filamento, así como de estructuras proteicas, denominadas “nexos septales”, que comunican las células adyacentes en el filamento. Estamos interesados en el estudio de las proteínas que contribuyen a la formación y regulación de los nexos septales, así como en su distribución en las cianobacterias desde un punto de vista evolutivo.

2. División celular

Responsable: Antonia Herrero

La división celular en bacterias unicelulares produce células separadas. En contraste, en cianobacterias multicelulares produce células que permanecen unidas, compartiendo el espacio periplásmico (continuo a lo largo del filamento) y conectadas por los nexos septales, cuyas proteínas localiza el divisoma. Además, los heterocistos son células diferenciadas terminales, que han perdido la capacidad de división celular. Estudiamos los hechos distintivos de la división celular en Anabaena, incluyendo el mecanismo de inhibición de la división celular durante la diferenciación de los heterocistos.

3. Simbiosis

Responsables: Mercedes Nieves-Morión, Enrique Flores

Nuestro objetivo es contribuir al conocimiento de simbiosis fijadoras de N₂ que son globalmente importantes en la Biosfera. Para ello, estudiamos asociaciones entre diatomeas y cianobacterias fijadoras de N₂, incluyendo estirpes formadoras de heterocistos, con especial atención a los mecanismos de intercambio de nutrientes entre los simbiontes.

4. Aclimatación de la maquinaria de traducción al estrés

Responsable: Ignacio Luque

Las especies del orden Nostocales dedican una parte significativa de su genoma a funciones de aclimatación. Nos interesan los mecanismos de aclimatación a una variedad de condiciones de estrés y especialmente, el papel que juega la maquinaria de traducción en estos fenómenos. Actualmente, estamos investigando el papel de los tRNAs, los sistemas toxina-antitoxina y las enzimas de reparación de RNA en la aclimatación de Anabaena al estrés. Además, estamos investigando las respuestas a varias condiciones de estrés nutricional, incluida la deficiencia de metales.

5. Biología sintética

Responsable: Rocío López-Igual

Las cianobacterias son bacterias fotosintéticas atractivas como potenciales fábricas biotecnológicas productoras de, por ejemplo, fuentes de energía renovables. Los principales inconvenientes para el correcto desarrollo de estas fábricas verdes son la inestabilidad de su genoma y la escasez de herramientas de ingeniería genética si las comparamos con bacterias heterótrofas. En esta línea de investigación combinamos el estudio de la inestabilidad genómica de Anabaena con el desarrollo de herramientas genéticas para biología sintética, para finalmente construir cepas cianobacterianas que nos faciliten su aplicación biotecnológica.

 

6. Condensados biomoleculares en cianobacterias

Responsable: Laura Corrales-Guerrero

Los condensados biomoleculares (BMCs) son orgánulos transitorios desprovistos de membrana que permiten una organización intracelular dinámica. Este fenómeno está muy extendido en las bacterias para realizar diversas funciones como la mejora de la actividad enzimática, el secuestro o la localización celular. El principal objetivo científico de esta línea de investigación es: (1) profundizar en el conocimiento de los mecanismos moleculares que rigen la formación de BMCs en las cianobacterias, y (2) explotar sus posibles usos en biotecnología como sistemas de inmovilización enzimática (in vitro o in vivo) y biorremediación.

Financiación

Antonia Herrero

Proyecto P20-00032, Junta de Andalucía and FEDER.

Antonia Herrero, Enrique Flores:

Proyecto PID2020-118595GB-100 del MCIN/ AEI/10.13039/501100011033/

Enrique Flores

Proyecto PY20_00058, Junta de Andalucía and FEDER.

The Gordon and Betty Moore Foundation (USA), grant number 9355.

Rocío López-Igual:

Grant Ramón y Cajal: RYC2021-034768-I funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y EU “NextGenerationEU”/PRTR”.

Proyecto: CNS2023-145397 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y EU “NextGenerationEU”/PRTR”.

Proyecto PID2023-152188NB-I00 financiado por MCIU/ AEI / 10.13039/501100011033 / FEDER, UE.

Ayudas Universidad de Sevilla: VI Plan Propio de Investigación y Transferencia de la Universidad de Sevilla, 2020; VII Plan Propio de Investigación y Transferencia de la Universidad de Sevilla, 2023. Ref: VIIPPIT-2023-II.2; Atracción Investigadores Alto Potencial. Ref: VIIPPIT-2022-II.5.

Ignacio Luque

Proyecto PID2021-128477NB-I00, MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE.

Mercedes Nieves-Morión, Enrique Flores

Proyecto TED2021-130982B-I00, Agencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia e Innovación.

The Swedish Research Council (Sweden), grant number 2022-03319.

Laura Corrales-Guerrero

Contrato Ramón y Cajal: RYC2023-042841-I financiado por MCIU/AEI/ 10.13039/ 501100011033 y por el FSE+.

Proyecto PID2023-146704OA-I00 financiado por MCIU/ AEI / 10.13039/ 501100011033 / FEDER, UE, y contrato FPI financiado por MCIU/AEI/ 10.13039/ 501100011033 y por el FSE+.