Biotecnología y genética de bacterias termófilas extremas

Resumen de Investigación:

Nuestro grupo utiliza termófilos como modelos para el estudio de procesos biológicos ancestrales y como fuente de enzimas termoestables y plataformas de selección para el desarrollo de nuevas herramientas de aplicación biotecnológica. El principal modelo de estudio empleado por nuestro grupo es Thermus thermophilus (Tth), una bacteria termófila extrema que es fácil de cultivar en condiciones de laboratorio y susceptible de manipulación genética debido a la presencia de un aparato de competencia natural (NCA) altamente eficiente.

Los principales temas biológicos en estudio en nuestro grupo durante los últimos años están relacionados con nuevos mecanismos conjugativos no convencionales de transferencia horizontal de genes entre cepas de Thermus spp que generan mosaicidad genómica en la progenie como consecuencia de la transferencia simultánea de DNA desde varios puntos del genoma a la célula receptora. La capacidad de transferencia está codificada por pequeños elementos integrativos y conjugativos de funciones complementarias cuya biología también es objeto de estudio. Además, las barreras basadas en la interferencia de DNA-DNA  a la transferencia horizontal de genes mediada por proteínas similares a argonautas eucarióticos codificadas en Thermus spp también constituyen un foco de atención de nuestro interés.

El grupo también está interesado en nuevas aplicaciones biotecnológicas derivadas del uso de termófilos. Un gran esfuerzo lo dedicamos al descubrimiento de enzimas termoestables y al aislamiento de variantes termoestables de enzimas que podrían responder mejor a los requisitos de los biocatalizadores industriales u otras aplicaciones en Biología Molecular como la edición génica. Para esto, se están desarrollando nuevos vectores multifuncionales que permiten una identificación más eficiente de enzimas termoestables a partir de bibliotecas metagenómicas o la termo-selección de variantes de enzimas inestables de interés biotecnológico en cepas hospedadoras termófilas modificadas genéticamente a tal efecto.

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Figura 1: ADN extracelular que entra en Thermus thermophilus a través del aparato de competencia natural enfrenta su degradación por ThAgo a través de la interferencia de gADN-ADN. Por el contrario, el dsDNA transferido por una célula Tth de un donante a través de la translocasa TdtA e incorporado a través del ACN no es susceptible a ThAgo. La ADN helicasa HepA también se requiere en el donante, que probablemente repare las cicatrices generadas en el genoma en el proceso de donación casi aleatorio.

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ApellidosNombreLaboratorioExt.*e-mailCategoría profesional
Berenguer CarlosJosé1084498jberenguer(at)cbm.csic.esCatedrático Universidad, GA
Failde SolerMarta1084525marta.failde(at)estudiante.uam.esInvestigador
García CalvoVirginia1084525Tco. de Investigación y Laboratorio
Mencia CaballeroMario1084664mmencia(at)cbm.csic.esProfesor Titular Universidad, GA
Pastor AlacreuEva María1084498Estudiante TFG
Verdu CanoCarlos1084525Titulado Sup.de Actividades Técn. y Profes. GP1
Villamayor ArribasÁlvaro1084498Investigador

Publicaciones relevantes:

  • Baquedano I, Mencía M, Blesa A, Burrus V, and Berenguer J  (2020) ICETh1 & ICETh2, two interdependent mobile genetic elements in Thermus thermophilus transjugation. Environmental Microbiology. 22:158-169. doi: 10.1111/1462-2920.14833. The first integrative and conjugative element for T. thermophilus, which codes for the transjugation DNA donor machinery, is described along with its dependence on the integrase/excisionase module of a second integrative element.
  • Verdú C, Sanchez E. Ortega C, Hidalgo A, Berenguer J, Mencía M. 2019. A modular vector toolkit with a tailored set of thermosensors to regulate gene expression in Thermus. ACS Omega. 4: 14626−14632. A set of modular shuttle plasmids are developed that includes thermosensors that limit the expression in relation to the temperature.
  • García-Quintans N, Bowden L, Berenguer J and Mencía. 2019. DNA interference by a mesophilic Argonaute protein, CbcAgo.  F1000Research 8: 321. https://doi.org/10.12688/f1000research.18445.1) A mesophilic Argonaute protein is purified and described as tool capable to cut at 37ºC  DNA at specific sites selected by synthetic ssDNA guides that will likely be the next generation gene edition tools.
  • Chahlafi, Z., Alvarez, L., Cava, F., Berenguer J. 2018. The role of conserved proteins DrpA and DrpB in nitrate respiration of Thermus thermophilus. Environmental Microbiology 20: 3851-3861. A new mechanism for the detection of nitrate was described for Thermus spp that has nothing to do with the NarX/L two component systems used by most Bacteria.
  • Blesa A., Baquedano I., Quintáns N.G., Mata C.P., Castón J.R., Berenguer J. 2017. The transjugation machinery of Thermus thermophilus: Identification of TdtA, an ATPase involved in DNA donation. PloS Genetics. 13 (3) e1006669. A DNA translocase is identified as the major element required for DNA donation in transjugation in T. thermophilus.
  • Alvarez, L., Quintáns N.G., Blesa A., Baquedano I., Bricio C., Mencía M., Berenguer J. 2017. Hierarchical control of nitrite respiration by transcription factors encoded within mobile gene clusters of Thermus thermophilus. Genes 8: 361. A new sensory system for NO is described encoded by the cluster for nitrite respiration of denitrifying strains of T. thermophilus. The system seems more related to that found in Actynobacteria than to those of Proteobacteria.
  • Blesa A., Quintáns N.G., Baquedano I., Mata C.P., Castón J.R., Berenguer J. 2017. Role of archaeal HerA protein in the biology of the bacterium Thermus thermophilus. Genes  8: 130. A hexameric DNA-helicase of the archaeal HerA family  is described which presence in donor cells is needed for transjugation, likely by providing the ability to repair the damage generated during DNA donation from multiple points in the genome.  
  • Blesa A, César CE, Averhoff B, Berenguer J. 2015. Noncanonical cell-to-cell DNA transfer in Thermus spp. is insensitive to argonaute-mediated interference. J Bacteriol. 197:138-146. The first description of transjugation and its scape to the surveillance Argonaute system.
  • Daan C. Swarts, Matthijs M. Jore, Edze R. Westra, Yifan Zhu, Jorijn H. Janssen, Ambrosius P. Snijders, Yanli Wang,  Dinshaw J. Patel, José Berenguer, Stan J. J. Brouns, John van der Oost. 2014. DNA-guided DNA interference by a prokaryotic Argonaute. Nature 507: 258-261. The pAgo from T. thermophilus constitutes a barrier against external DNA acquired by transformation through a DNA-DNA interference mechanism.
  • Schurig-Briccio LA, Venkatakrishnan P, Hemp J, Bricio C, Berenguer J, Gennis RB. 2013. Characterization of the nitric oxide reductase from Thermus thermophilus. PNAS USA 110: 12613-18. Structure-functional study of the nitric oxide reductases of T. thermophilus showing the absence of a proton channel.
  • Laura Álvarez, Carlos Bricio,  Manuel José Gómez, and José Berenguer. 2011. Lateral transfer of the denitrification pathway among Thermus thermophilus strains. App Environ Microbiol. 77: 1352 -1358.   The HGT transfer of the denitrification capability from a facultative anaerobe strain of T. thermophilus to an aerobic one is described.

Tesis doctorales:

  • Alba Blesa Esteban (2016) Horizontal gene transfer in Thermus thermophilus: mechanisms and barriers. Universidad Autónoma de Madrid. Director: José Berenguer.
  • Yamal Al-ramahi González (2013) Ingeniería de proteínas fluorescentes y aplicaciones de localización celular en microorganismos termófilos. Universidad Autónoma de Madrid. Directores: José Berenguer y Aurelio Hidalgo.
  • Noé R. Rivera (2013) Termoestabilización de proteínas de interés biológico. Universidad Autónoma de Madrid. Directores: José Berenguer y Aurelio Hidalgo.
  • Laura Álvarez Muñoz (2012) Análisis de la respiración de nitrito en Thermus thermophilus. Universidad Autónoma de Madrid. Director: José Berenguer.

Proyectos financiados en los últimos años:

  • INAGOMICS: DNA-DNA interference mediated by the Argonaute protein of Thermus thermophilus and applications in genome edition. BIO2016-77031-R. Period: 01/01/2017 to 30/6/2020. José Berenguer (IP).
  • METAFLUIDICS: Advanced toolbox for rapid and cost-effective functional metagenomic screening: microbiology meets microfluidics. Funding: European Union H2020. GA 685474. Period: 01/06/2016 to 30/05/2020. Coordinator: A. Hidalgo.
  • HOTDROPS: Ultrahigh-throughput platform for the screening of thermostable proteins by thermophilic in vitro transcription-translation and microfluidics. Funding: European Union FP7. GA 324439. Period: 01/06/2013 to 30/05/2017. Coordinator: J. Berenguer.

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