Respostas fisiológicas em cianobactérias da família Nostocaceae cultivadas sob estresse salino

Abstract

Cianobactérias são procariotos fotossintetizantes amplamente distribuídos em todo o globo terrestre, apresentando mecanismos de adaptação e diversas vias metabólicas eficazes a condições ambientais limitantes à maioria dos seres vivos. Não obstante, as cianobactérias são organismos vantajosos para aplicações industriais, em função do seu rápido crescimento em comparação as plantas, necessidades nutricionais simples (luz solar, água e CO2 principalmente), e possibilidade de manipulação genética. Devido à sua diversidade natural e capacidade de crescer em diversos habitats, como áreas impróprias à agricultura, há uma crescente tendência na exploração de cianobactérias para a produção de biomassa e biocombustíveis. Ademais, esses organismos mostram-se adequados à análise e entendimento dos mecanismos adaptativos desenvolvidos em resposta às mudanças nas condições ambientais. Este projeto buscou analisar a fisiologia e o metabolismo de uma cianobactéria (UFV059) coletada em ambiente hipersalino (salinidade entre 77-237 gL-1) e comparar com a cepa modelo da família Nostocaceae, PCC7120. Os resultados obtidos indicam uma alta tolerância ao estresse salino pela cepa UFV059, apresentando crescimento em meio suplementado com até 500 mM de NaCl e bem como em DL50 nove vezes superior a observada para cepa modelo PCC7120. De maneira interessante, a cepa UFV059 apresentou aumento na concentração de clorofila a quando exposta a concentrações de 250 e 500 mM de NaCl, o que poderia culminar na manutenção de taxas fotossintéticas e consequentemente maior disponibilidade energética para os processos de aclimatação. Ademais, a cepa UFV059 sobreviveu a concentrações superiores a 1M apresentando extensa diferenciação celular, o que indica uma extensa reprogramação metabólica. A tolerância observada na UFV059 ocorreu muito provavelmente em função da presença de um aparato proteíco adaptado a ambientes salinos, bem como pela maior produção de EPS que restringiria, ao menos parcialmente, a entrada de cátions. Cumpre mencionar que o estresse salino representa um grande desafio na viabilização econômica do uso de cianobactérias em escala industrial, por meio do cultivo em águas salobras ou residuais. Essa caracterização inicial possibilitou a identificação parcial de alguns dos mecanismos de tolerância na cepa UFV059; porém, uma caracterização molecular se faz necessária para compreender melhor esta cepa, até então desconhecida e podem, em longo prazo, contribuir para o desenvolvimento de cianobactérias e plantas tolerantes a alta salinidade através da engenharia genética.

Cyanobacteria are photosynthetic microorganisms that occupy diverse ecological niches presenting thus enormous diversity in terms of habitat, physiology, morphology, metabolic capacities and molecular properties. Cyanobacteria are also organisms advantageous for industrial applications since they have rapid cell growth, basic nutritional needs (sunlight, water, and CO2), and great potential to be genetically modified. Due to its natural diversity and ability to grow in a variety of habitats, such as unsuitable agricultural areas, there is an increasing interest in the exploration of cyanobacteria for the production of biomass and biofuels. Moreover, cyanobacteria have been proven to be adequate for the analysis and understanding of adaptive mechanisms in response to changing environmental conditions. Thus, the main goals of this research initiative were to analyze both the physiology and metabolism of a cyanobacteria strain (UFV059) collected in a hypersaline environment (with salinity between 77-237 g L-1) and compare it with the model strain of the Nostocaceae family, PCC7120. The results obtained indicates that the strain UFV059 display high tolerance to salt stress, as demonstrated by its ability to sustain grow in medium supplemented with up to 500 mM of NaCl as well as containing LD50 nine times higher than observed for PCC7120. Surprisingly, UFV059 showed increased chlorophyll contents when exposed to 250 and 500 mM NaCl, which might be associated with the maintenance of photosynthetic rates and consequently allowing higher energy availability for acclimatization process. Furthermore, UFV059 survived to concentrations higher than 1M displaying extensive cell differentiation, which indicates an extensive metabolic reprogramming. The higher salt tolerance observed in UFV059 is most likely due to the presence of one previous available protein apparatus adapted to saline environments, as well as to the higher production of EPS that would restrict, at least partially, the cations entry. It is important to mention that salt stress is one major challenge for the economic viability of cyanobacteria usage on an industrial scale through cultivation in brackish or waste water. The results of this initial characterization allowed the partial identification of some tolerance mechanisms in UFV059; however, a molecular characterization is still required to enhance our understanding regarding this strain, that in the long term might contribute to the development of both cyanobacteria and plants displaying high salinity tolerance through genetic engineering.