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Universidad del Papaloapan Campus Tuxtepec División de Estudios de Posgrado ESTRATEGIAS DE ESTUDIO DE ADN METAGENÓMICO DE SUELOS CULTIVADOS CON CAÑA DE AZÚCAR EN LA REGIÓN DEL PAPALOAPAN T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN BIOTECNOLOGÍA PRESENTA LZ. NOHEMÍ GABRIELA CORTÉS LÓPEZ ASESOR: DRA. SANDRA TRINIDAD DEL MORAL VENTURA CO-ASESOR: DRA. DOLORES REYES DUARTE TUXTEPEC, OAXACA. MARZO, 2015

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  • Universidad del Papaloapan

    Campus Tuxtepec

    División de Estudios de Posgrado

    ESTRATEGIAS DE ESTUDIO DE ADN METAGENÓMICO DE SUELOS CULTIVADOS CON

    CAÑA DE AZÚCAR EN LA REGIÓN DEL PAPALOAPAN

    T E S I S

    QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN BIOTECNOLOGÍA

    PRESENTA LZ. NOHEMÍ GABRIELA CORTÉS LÓPEZ

    ASESOR: DRA. SANDRA TRINIDAD DEL MORAL VENTURA CO-ASESOR: DRA. DOLORES REYES DUARTE

    TUXTEPEC, OAXACA. MARZO, 2015

  • Éste trabajo se realizó en la Universidad del Papaloapan, campus

    Tuxtepec, en el laboratorio de Biología Molecular, bajo la dirección de la Dra.

    Sandra T. del Moral Ventura (UNPA) y la co-dirección de la Dra. Dolores Reyes

    Duarte (UAM-C), con el financiamiento otorgado por PROMEP y CONACyT

    mediante los proyectos PROMEP 2009-02 103.5/11/6149, Ciencia Básica-SEP-

    CONACyT 154683 y la beca otorgada por CONACyT con el número 20254.

  • DEDICATORIA

    A Dios por haberme permitido el tiempo necesario para lograr grandes cosas, por

    darme paciencia ante circunstancias difíciles, por darme inteligencia y sabiduría para poder

    concluir esta etapa.

    A mis padres Gloria López y Fortino Cortés y a mi hermano Alejandro Cortés por sus

    consejos, paciencia y apoyo en todo tiempo.

    A mi hermanita Getzabel Vera, a mis sobrinos Uriel y Lucia, y a mi vecina Clementina

    Antonio por ser la familia que siempre me ha apoyado en todo.

    A mis amigos cristianos porque que han sido verdaderos hermanos en la fe, por sus

    oraciones, sus consejos, por apoyarme cuando más los he necesitado y por ser de bendición

    en mi vida.

    A mis asesoras, la Dra. Sandra del Moral por haberme apoyado en todo tiempo, por

    transmitirme sus conocimientos y por sembrar en mí el deseo de seguir investigando, y la Dra.

    Dolores Reyes por su apoyo durante la estancia en la UAM-C, por sus comentarios y

    observaciones para obtener mejores resultados de este trabajo de investigación.

    Cuando la sabiduría entrare en tu corazón, y la ciencia fuere grata a tu alma, la

    discreción te guardará; te preservará la inteligencia. Proverbios 2:10-11.

  • AGRADECIMIENTOS

    A la Universidad del Papaloapan por haberme aceptado en el posgrado y permitir que

    continuara mi formación profesional.

    A los profesores, el Dr. Julián Peña, la Dra. Blanca Barrera y la Dra. Jacqueline Capataz

    por haber resuelto mis dudas en el laboratorio y por haber estado al pendiente del avance de

    mi investigación.

    A las químicas Luz y Lety por su amistad, por apoyarme en todo y por facilitarme el

    material requerido para mis experimentos.

    A mis revisores, el Dr. Enrique Villalobos, el Dr. Eustacio Ramírez y el Dr. José Abad por

    sus comentarios y sugerencias sobre el escrito de esta tesis.

    Al MC Bernardo Sachman por la asesoría en el diseño de los oligonucleótidos

    degenerados y en el análisis filogenético.

    A la MC Bertha López por la asesoría en el análisis de datos en Excel y por sus

    comentarios para mejorar la interpretación de datos.

    A Carlina Peña y a Ramón Batista por haberme compartido sus conocimientos durante

    la estancia en la UAM-C.

    A mi amigo y compañero del laboratorio Juan José por haberme ayudado a resolver

    varios problemas en las técnicas que se utilizaron en esta investigación y por sus

    comentarios.

    A mis amigos de la Universidad, Ana, Nancy, Heidy, Jade, Made, Jair, Fernando, Rubén y

    Vany por haber compartido conmigo momentos muy lindos en su último año de carrera en la

    UNPA.

    A mis amigos del posgrado Don Germán, Rafael, Miguel, Ilda y Anselmo por haber

    compartido conmigo los inicios de esta etapa.

  • A mis amigos del laboratorio Lizeth, Alejandro, Sarahí, Yamil, Oscar, Laura, Adri y Rosa

    por permitirme apoyarlos en resolver sus dudas y por su apoyo en todo momento.

    A los Productores de Caña de Azúcar por haberme permitido obtener las muestras de

    sus cultivos para esta investigación.

    A todas las personas que directa o indirectamente hicieron posible que se realizara esta

    investigación.

  • viii

    ÍNDICE GENERAL

    ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................................... xi

    ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................... xii

    ÍNDICE DE ANEXOS ..................................................................................................................... xiii

    RESUMEN ................................................................................................................................... xiv

    ABSTRACT ................................................................................................................................... xv

    INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1

    CAPÍTULO I. ANTECEDENTES .......................................................................................................... 3

    1.1 EL SUELO ................................................................................................................................... 3

    1.2 RIQUEZA MICROBIANA DEL SUELO ........................................................................................... 3

    1.3 MÉTODOS DE ESTUDIO DE DIVERSIDAD DEL SUELO ................................................................ 4

    1.4 METAGENÓMICA .................................................................................................................... 10

    1.5 ESTRATEGIAS PARA EL ESTUDIO DE UNA MUESTRA METAGENÓMICA ................................. 12

    1.5.1 Consideraciones para la obtención del material genético .............................................. 12

    1.5.2 Metagenómica por secuenciación .................................................................................. 14

    1.5.3 Diseño de oligonucleótidos degenerados ........................................................................ 15

    1.5.4 Librerías metagenómicas funcionales ............................................................................. 15

    1.5.5 Obtención de enzimas mediante estudios metagenómicos ............................................ 16

    1.6 LA CUENCA DEL PAPALOAPAN Y SUS SUELOS ........................................................................ 21

    2.1 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................ 23

    2.2 HIPÓTESIS................................................................................................................................ 23

    2.3 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 23

    2.3.1 Objetivos específicos ....................................................................................................... 23

    2.4 ESTRATEGIA EXPERIMENTAL .................................................................................................. 24

    CAPÍTULO III. CARACTERÍSTICAS DEL SUELO UTILIZADO EN EL ESTUDIO METAGENÓMICO ............ 25

    3.1 LOCALIZACIÓN ........................................................................................................................ 25

    3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS SUELOS MUESTREADOS ................................................... 26

    3.3 ANÁLISIS FISICOQUÍMICO DE LOS SUELOS MUESTREADOS ................................................... 26

    3.4 COLECTA DE MUESTRAS ......................................................................................................... 27

    CAPÍTULO IV.LIBRERÍA METAGENÓMICA EMPAQUETADA EN FAGOS LAMBDA .............................. 28

    4.1 METODOLOGÍA ....................................................................................................................... 28

  • ix

    4.1.1 Aislamiento y purificación de ADN metagenómico ......................................................... 28

    4.1.2 Digestión de ADN metagenómico ................................................................................... 28

    4.1.3 Ligación de ADN metagenómico en el vector ZAP Express y transformación ................. 28

    4.1.4 Empaquetamiento en fagos lambda () ......................................................................... 30

    4.1.5 Evaluación de la eficiencia de la ligación y titulación de la librería metagenómica de

    suelos de Oaxaca (LSO) ................................................................................................... 30

    4.1.6 Escrutinio para la identificación de actividades enzimáticas .......................................... 30

    4.1.7 Purificación de clonas positivos y escisión en células de E. coli XLOLR. .......................... 34

    4.1.8 Métodos moleculares para verificar la construcción de la librería metagenómica. ....... 34

    4.2 RESULTADOS ........................................................................................................................... 37

    4.2.1 Aislamiento y purificación de ADN metagenómico ......................................................... 37

    4.2.2 Digestión, clonación y empaquetamiento en fagos ..................................................... 38

    4.2.3 Titulación de la librería metagenómica de suelos de Oaxaca (LSO) ............................... 38

    4.2.4 Estandarización de la técnica para el escrutinio de actividad celulasa .......................... 39

    4.2.5 Escrutinio de actividades enzimáticas: esterasa y celulasa ............................................ 40

    4.2.6 Escisión de las clonas positivas ....................................................................................... 43

    4.2.7 Evaluación molecular de la librería metagenómica ........................................................ 43

    4.3 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 46

    CAPÍTULO V. ESCRUTINIO DE CELULASAS MEDIANTE EL USO DE OLIGONUCLEÓTIDOS

    DEGENERADOS .............................................................................................................. 47

    5.1 METODOLOGÍA ....................................................................................................................... 47

    5.1.1 Extracción y purificación de ADN metagenómico ........................................................... 47

    5.1.2 Amplificación del gen 16S rDNA del ADN metagenómico. .............................................. 48

    5.1.3 Purificación de los productos de PCR .............................................................................. 49

    5.1.4 Diseño de oligonucleótidos degenerados ........................................................................ 50

    5.1.5 Amplificación de genes de celulasas utilizando oligonucleótidos degenerados ............. 51

    5.2 RESULTADOS ........................................................................................................................... 53

    5.2.1 Purificación y determinación de la calidad del ADN metagenómico .............................. 53

    5.2.2 Uso de potenciadores de la PCR. ..................................................................................... 55

    5.2.3 Diseño de oligonucleótidos ............................................................................................. 58

    5.2.4 Escrutinio por oligonucleótidos degenerados ................................................................. 58

    5.3 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 59

  • x

    CAPÍTULO VI. ANÁLISIS DE DIVERSIDAD A PARTIR DEL GEN 16S rDNA ........................................... 60

    6.1 METODOLOGÍA ....................................................................................................................... 60

    6.1.1 Cultivos metagenómicos de suelo ................................................................................... 60

    6.1.2 Extracción de ADN de cultivos metagenómicos enriquecidos y amplificación del gen 16S

    rDNA ................................................................................................................................ 60

    6.1.3 Purificación y clonación de los productos de PCR ........................................................... 61

    6.1.4 Análisis ARDRA ................................................................................................................ 63

    6.1.5 Secuenciación y análisis bioinformático .......................................................................... 64

    6.1.6 Análisis filogenético ........................................................................................................ 64

    6.2 RESULTADOS ........................................................................................................................... 65

    6.2.1 Extracción de ADN de cultivos metagenómicos enriquecidos ......................................... 65

    6.2.2 Amplificación, purificación y clonación del gen 16S rDNA de ADN metagenómico de los

    cultivos enriquecidos ....................................................................................................... 65

    6.2.3 Análisis ARDRA y filogenético ......................................................................................... 66

    6.3 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 71

    CONCLUSIONES GENERALES ......................................................................................................... 72

    PERSPECTIVAS ............................................................................................................................. 74

    BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 75

    ANEXOS ..................................................................................................................................... 86

    ANEXO 1. MEDIOS DE CULTIVO .......................................................................................................... 86

    ANEXO 2. SUSTRATOS ........................................................................................................................ 87

    ANEXO 3. SOLUCIONES....................................................................................................................... 88

    ANEXO 4. INDICADORES ..................................................................................................................... 89

    ANEXO 5. ARTÍCULOS PUBLICADOS ................................................................................................... 90

  • xi

    ÍNDICE DE TABLAS

    Tabla 1. Enzimas recuperadas mediante metagenómica en los años 2013 y 2014. .............................. 19

    Tabla 2. Muestras colectadas durante la realización de este trabajo. ................................................... 25

    Tabla 3. Diagnóstico de fertilidad de los suelos*. .................................................................................. 27

    Tabla 4. Primera reacción de ligación. ................................................................................................... 29

    Tabla 5. Segunda reacción de ligación. .................................................................................................. 29

    Tabla 6. Sustratos para estandarizar la técnica de escrutinio para identificar actividad celulasa. ........ 32

    Tabla 7. Oligonucleótidos utilizados para amplificar ADN de las clonas positivas. ............................... 36

    Tabla 8. Reacción de amplificación de ADN utilizando Dream Taq PCR Master Mix (2X). .................... 36

    Tabla 9. Reacción de amplificación de ADN utilizando Taq DNA Polymerase recombinant. ................. 36

    Tabla 10. Programa de amplificación de los fragmentos de ADN de las clonas positivas. .................... 37

    Tabla 11. Características de la librería metagenómica de suelos cultivados con caña de azúcar. ........ 39

    Tabla 12. Estandarización de la técnica de escrutinio para identificar actividad celulasa utilizando

    enzimas comerciales en distintos sustratos celulósicos. ........................................................ 41

    Tabla 13. Oligonucleótidos utilizados para amplificar ADN de los clones positivos. ............................. 48

    Tabla 14. Reacción de amplificación de ADN metagenómico utilizando Platinum Taq DNA Polymerase

    con diferentes concentraciones de MgCl2 y BSA. ................................................................... 48

    Tabla 15. Programa de amplificación de gen 16S rDNA usando como templado ADN metagenómico. 49

    Tabla 16. Endoglucanasas de Bacillus subtilis. ....................................................................................... 50

    Tabla 17. Oligonucleótidos degenerados. .............................................................................................. 51

    Tabla 18. Reacción de amplificación de ADN metagenómico utilizando Taq Platinum Super Mix. ...... 52

    Tabla 19. Combinaciones de oligonucleótidos degenerados ................................................................. 52

    Tabla 20. Programa de amplificación para los oligonucleótidos degenerados usando como templado

    ADN metagenómico purificado. ............................................................................................. 52

    Tabla 21. Extracción de ADN metagenómico utilizando diferentes kits. ............................................... 53

    Tabla 22. Oligonucleótidos utilizados para amplificar el gen 16S rDNA. ............................................... 60

    Tabla 23. Reacción de amplificación de ADN de los cultivos metagenómicos enriquecidos utilizando

    Platinum Taq DNA Polymerase. .............................................................................................. 60

    Tabla 24. Programa de amplificación para ADN de cultivos metagenómicos enriquecidos.................. 61

    Tabla 25. Oligonucleótidos utilizados para amplificar la región M13. ................................................... 62

    Tabla 26. Reacción de amplificación de ADN utilizando Dream Taq PCR Master Mix (2X). .................. 63

    Tabla 27. Programa de amplificación de la región M13......................................................................... 63

    Tabla 28. Reacciones de digestión de las enzimas EcoRI, HindIII y XbaI. ............................................... 64

  • xii

    ÍNDICE DE FIGURAS

    Figura 1. Estrategias para el estudio metagenómico de muestras ambientales. .................................. 13

    Figura 2. Análisis de ADN metagenómico de suelo. ............................................................................... 24

    Figura 3. Ubicación y localización geográfica de los suelos muestreados. ............................................ 25

    Figura 4. Mapa del vector ZAP Express. ................................................................................................. 29

    Figura 5. Sitio de clonación múltiple.. .................................................................................................... 35

    Figura 6. Integridad del ADN metagenómico. ........................................................................................ 37

    Figura 7. Electroforesis de la digestión de ADN metagenómico con Sau3AI. ........................................ 38

    Figura 8. Placas de lisis de células de E. coli XL1-Blue MRF’................................................................... 39

    Figura 9. Escrutinio de actividad esterasa en placas de lisis de células de E. coli XL1-Blue MRF’. ........ 40

    Figura 10. Escrutinio de actividad celulasa en placas de lisis de células de E. coli XL1-Blue MRF’. ....... 42

    Figura 11. Clonas seleccionadas y recuperadas con mayor actividad celulasa. ..................................... 42

    Figura 12. Placas de LB-Kanamicina ....................................................................................................... 43

    Figura 13. Digestión del plásmido de la muestra 1A .............................................................................. 44

    Figura 14. Digestión del plásmido de las muestras 1A, 2A, 4A, 5A Y 7A con las enzimas EcoRI y SalI ... 44

    Figura 15. Amplificación de las clonas CelNC2, CelNC5 y CelNC6. ......................................................... 45

    Figura 16. Amplificación de la LSO y reamplificación del fragmento del clon CelNC2. ......................... 45

    Figura 17. Amplicones in silico obtenidos del programa primers4clades .............................................. 51

    Figura 18. Extracción de ADN utilizando diferentes kits ........................................................................ 53

    Figura 19. ADN metagenómico purificado con el segundo paso de purificación .................................. 55

    Figura 20. Amplificación por PCR del gen 16S rDNA del ADN metagenómico purificado ..................... 55

    Figura 21. Mecanismo de incorporación de nucleótidos por las ADN polimerasas. ............................. 57

    Figura 22. (17) Oligonucleótidos degenerados que amplifican genes que codifican endoglucanasas. . 58

    Figura 23. Sitio de clonación del vector pCR-XL-TOPO........................................................................... 62

    Figura 24. Amplificación del gen 16SrDNA ............................................................................................. 65

    Figura 25. Digestiones de los productos de PCR de la librería de 16S rDNA utilizando las enzimas de

    restricción EcoRI, HindIII y XbaI (ARDRA). ............................................................................ 67

    Figura 26. Análisis in silico de las secuencias de la librería de 16S rDNA con enzimas de restricción

    EcoRI, Hind III y XbaI . ........................................................................................................... 68

    Figura 27. Árbol filogenético de las secuencias de la librería de 16S rDNA. .......................................... 69

    Figura 28. Diversidad del gen 16S rDNA. ................................................................................................ 70

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  • xiii

    ÍNDICE DE ANEXOS

    ANEXO 1. MEDIOS DE CULTIVO .............................................................................................................. 86

    ANEXO 2. SUSTRATOS ............................................................................................................................ 87

    ANEXO 3. SOLUCIONES........................................................................................................................... 88

    ANEXO 4. INDICADORES ......................................................................................................................... 89

    ANEXO 5. ARTÍCULOS PUBLICADOS ....................................................................................................... 90

  • xiv

    RESUMEN

    El suelo es una fuente importante de recursos orgánicos e inorgánicos, los cuales

    intervienen en la diversidad de microorganismos, éstos a su vez regulan los ciclos

    biogeoquímicos. Existen diferentes técnicas para estudiar la diversidad microbiana del suelo,

    desde las tradicionales, que utilizan medios de cultivo para el aislamiento de cepas hasta

    aquellas que no requieren del aislamiento, sino que analizan el material genético de una

    muestra ambiental. Una de las herramientas más novedosas en este sentido es la

    metagenómica, la cual es el análisis genómico de los microorganismos presentes en una

    muestra ambiental mediante distintas estrategias moleculares y funcionales no

    necesariamente excluyentes. En este trabajo se utilizaron diferentes estrategias para analizar

    el ADN metagenómico de suelos de cultivos de caña de azúcar en la región del Papaloapan:

    funcional, diseño de oligonucleótidos y secuenciación del gen 16S rDNA. Mediante la

    construcción de la librería metagenómica empaquetada en fagos lambda (análisis funcional)

    se buscaron genes relacionados con celulasas, sin embargo no se obtuvieron insertos

    clonados, pero se logró la estandarización de la técnica de escrutinio para identificar

    actividad celulasa y esterasa, además se establecieron medidas de control moleculares para

    la construcción de la LSO (Librería metagenómica de suelos de caña de azúcar del estado de

    Oaxaca). Así mismo, se propuso una estrategia de aislamiento y purificación del ADN

    metagenómico de la región haciendo modificaciones interesantes a los kit comerciales.

    También, se determinó que el uso de compuestos como el BSA y el MgCl2 en la PCR

    mejoraron la amplificación de los productos de la misma. Por otro lado, a través cultivos

    metagenómicos enriquecidos con almidón al 1% y CMC al 1%, se amplificó el gen 16S rDNA.

    Mediante esta librería se logró tener la primera aproximación de diversidad en suelos de la

    región del Papaloapan, donde se encontraron secuencias relacionadas principalmente con

    Clostridium (28.6%), Bacillus (20%), Enterococcus (14.3%), Lysinibacillus (5.7%), Shigella

    (2.8%), entre otros.

  • xv

    ABSTRACT

    The soil is an important source of organic and inorganic resources that regulate the

    diversity of microorganisms and take part in the adjustment of the biogeochemical cycles.

    There are different techniques to study soil microbial diversity, from the traditional

    techniques that use culture media to isolation of the strain until the techniques that do not

    need isolation but it analyze the genetic material of an environmental sample. In that sense,

    one of most innovative tools is the metagenomics that technique involves the genomic

    analysis of microorganisms in an environmental sample using both molecular and functional

    strategies. In this work different strategies were used to analyze metagenomic DNA of soil

    from sugarcane crops in the Papaloapan region: functional, design of oligonucleotides and

    sequencing of 16S rDNA. The genes related to cellulase were screened from the construction

    of metagenomic packaged library in lambda phage (functional analysis). However, cloned

    inserts were not obtained. Nevertheless, the standardization of technique of screening

    cellulase and esterase activity were obtained along with the molecular measurement control

    settlement to the construction of the LSO (metagenomic library sugarcane soils of Oaxaca).

    Besides, a strategy for isolating and purifying of the metagenomic DNA from the region was

    proposed making modifications to the commercial kit. Also, the improving of the PCR

    amplification products was determined using BSA and MgCl2 compounds. On the other hand,

    the 16S rDNA gene was amplified using metagenomic cultures supplemented with 1% starch

    and 1% CMC. Finally, with the construction of the metagenomic was possible to have the first

    approximation to diversity of soils from the Papaloapan region and found sequences mainly

    related to Clostridium (28.6%), Bacillus (20%), Enterococcus (14.3%), Lysinibacillus (5.7%),

    Shigella (2.8%), among others.

  • 1

    INTRODUCCIÓN

    Los suelos son una fuente inagotable de recursos, los cuales sin duda tienen relación

    directa con la diversidad microbiana presente en ellos. En la actualidad existen diferentes

    técnicas para evaluar su diversidad, sin embargo los primeros análisis eran de tipo

    microbiológico, donde se aislaban cepas mediante el uso de medios de cultivo selectivos y

    pruebas bioquímicas. Estas técnicas limitaban el estudio de los organismos cultivables,

    además la identificación de las cepas solo era aproximado debido a la poca información

    obtenida de las pruebas bioquímicas. Con el advenimiento de la biología molecular, se han

    utilizado otras técnicas moleculares para analizar la estructura y diversidad de los suelos.

    Algunas de estas técnicas utilizan marcadores moleculares, como el gen 16S rDNA presente

    en todas las bacterias. El análisis de este gen se puede llevar a cabo empleando técnicas

    como DGGE/TTGE, SSCP, ARDRA, RFLP, RAPD, LH-PCR, RISA, algunas de éstas utilizan la

    propiedad de desnaturalización de ADN en cadenas simples usando la temperatura o agentes

    caotrópicos, otras analizan la estructura microbiana mediante los patrones de restricción del

    gen; sin embargo aunque los estudios son más rápidos y confiables, algunos de sus

    inconvenientes radican en la dificultad de discernir entre aquellos fragmentos de tamaño

    muy parecido, lo que provoca un sesgo en la información obtenida.

    Hace un par de décadas surgió la metagenómica, la cual es una herramienta donde se

    aísla el ADN presente en una muestra ambiental. Esta técnica permite estudiar una muestra

    desde diferentes perspectivas, ya que se pueden obtener desde genes, metabolitos, enzimas

    hasta realizar estudios de dinámica poblacional.

    Los suelos de la región del Papaloapan en el estado de Oaxaca son muy fértiles, donde

    se cultivan diferentes productos agrícolas como caña de azúcar, plátano, café, piña, coco,

    maíz, entre muchos otros. Sin embargo, estos suelos han sido poco analizados desde la

    perspectiva microbiológica, existiendo escasa información al respecto. En trabajos previos

    realizados en el grupo de trabajo de la Dra. Sandra del Moral, se identificaron en los suelos

    de caña de azúcar, por métodos tradicionales, distintas cepas con actividades de importancia

    biotecnológica (Montor-Antonio et al., 2014).

  • 2

    Debido a las características de los suelos del Papaloapan, en este trabajo se decidió

    analizar los suelos cultivados con caña de azúcar mediante metagenómica, con la finalidad de

    identificar genes relacionados con enzimas de importancia biotecnológica, como celulasas y

    esterasas. Además se analizó la diversidad microbiológica de los suelos mediante cultivos

    metagenómicos enriquecidos a través del gen 16S rDNA.

    En el primer capítulo se describen la importancia microbiana del suelo y los métodos

    de estudio para este fin. También se describen los alcances y las limitaciones de la

    metagenómica como herramienta de estudio. Posteriormente, se plantean los objetivos y la

    estrategia experimental utilizada. Debido a las tres técnicas metagenómicas utilizadas en

    este trabajo: librería metagenómica empaquetada en fagos lambda, escrutinio de celulasas

    mediante el uso de oligonucleótidos degenerados y análisis de diversidad a partir del gen 16S

    rDNA, por cada técnica se incluyó en un capítulo la metodología, los resultados y las

    conclusiones. Al final de la tesis se incorporan las conclusiones generales. La última sección

    de la tesis (anexos) incluye la preparación de soluciones, medios de cultivo y los artículos

    publicados originados de este trabajo de investigación.

  • 3

    CAPÍTULO I. ANTECEDENTES

    1.1 EL SUELO

    El suelo es una delgada capa, de pocos centímetros hasta algunos metros de espesor,

    de material terroso no consolidado. En ella interactúan elementos de la atmósfera,

    hidrósfera, litosfera y biósfera en la cual se realizan intercambios de materiales y energía,

    entre lo inerte y lo vivo, produciéndose una enorme complejidad. Además, juega un papel

    ambiental como reactor bio-físico-químico que descompone materiales de desecho y recicla

    dentro de él nutrientes para la regeneración continua de la vida en la Tierra. El suelo es

    considerado un ambiente complejo, en el que se alberga una gran diversidad de genes

    microbianos. La complejidad de la diversidad microbiana depende de muchos parámetros

    que interactúan, incluyendo el pH del suelo, el contenido de agua, la estructura del suelo, las

    variaciones climáticas, la presencia o ausencia de oxígeno, la disponibilidad de nutrientes y la

    actividad biótica (Jaramillo et al., 1994; Hillel, 1998; Tarbuck y Lutgens, 2005; Gutiérrez-Lucas

    et al., 2014). Los microorganismos son los principales actores en los procesos ecológicos

    importantes como la formación de la estructura del suelo, la descomposición de la materia

    orgánica y xenobióticos, y el reciclaje de los elementos esenciales (por ejemplo, carbono,

    nitrógeno, fósforo y azufre) y nutrientes. De este modo, los microorganismos desempeñan

    un papel fundamental en la modulación de los ciclos biogeoquímicos globales e influyen en

    todos los niveles de vida en la Tierra (Garbeva et al., 2004).

    1.2 RIQUEZA MICROBIANA DEL SUELO

    El suelo es un ambiente apropiado para el desarrollo de los microorganismos, tanto

    eucariotas como procariotas, virus y bacteriófagos. Estos organismos establecen relaciones

    entre ellos en formas muy variadas y complejas. Los microorganismos desempeñan funciones

    de gran importancia en relación con procesos de edafogénesis; ciclos biogeoquímicos de

    elementos como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el azufre, el fósforo, el hierro y otros

    metales; fertilidad de las plantas y protección frente a patógenos; y degradación de

    compuestos xenobióticos (herbicidas, insecticidas, acaricidas e hidrocarburos). Los suelos

    tienen una inmensa diversidad de microorganismos. Las comunidades microbianas son las

  • 4

    más difíciles de caracterizar, debido a su inmensa diversidad fenotípica y genotípica, además

    de las relaciones simbióticas que se establecen en los comensales (Øvreås y Tosrvik, 1998,

    2002; Nogales, 2005). La diversidad microbiana en los ecosistemas del suelo excede a la de

    los organismos eucariotas. Un gramo de suelo puede albergar hasta 10 mil millones de

    microorganismos de miles de especies diferentes. La rizósfera puede contener hasta 1011

    células microbianas por gramo de raíz y más de 30,000 especies de procariotas

    (Egamberdieva et al., 2008; Mendes et al., 2011). La biosfera está dominada por

    microorganismos y contiene alrededor de 4.6 × 1030 células procariotas (Whitman et al.,

    1998).

    Los microorganismos son una fuente importante de productos y procesos

    biotecnológicos. Hasta hace unos cuantos años, estos procesos se basaban en el análisis de

    las capacidades metabólicas de los microorganismos que podían ser cultivados en el

    laboratorio mediante técnicas microbiológicas tradicionales. Los métodos clásicos de cultivo

    sólo permiten recuperar entre el 0.1 y el 10% de los microorganismos que se pueden cultivar

    en el laboratorio debido a que se desconocen los requerimientos nutricionales necesarios de

    todos los microorganismos, las condiciones fisicoquímicas precisas de su ambiente natural y

    la información sobre las relaciones simbióticas, comensales o parasitarias que se mantienen

    en una comunidad microbiana, por lo tanto los ecosistemas del suelo son, en gran medida

    desconocidos (Rondon et al., 1999; Handelsman et al., 2002; Øvreås y Tosrvik, 2002; Zengler

    et al., 2002; Escalante-Lozada et al., 2004; Keller y Zengler, 2004).

    1.3 MÉTODOS DE ESTUDIO DE DIVERSIDAD DEL SUELO

    Tradicionalmente, los estudios de diversidad microbiana de los suelos se realizaban

    mediante el cultivo de microorganismos en placas con medios de cultivo selectivos y conteos

    viables. Estos métodos son rápidos, baratos y pueden proporcionar información sobre la

    actividad y componentes heterótrofos de la población. Las limitaciones incluyen la dificultad

    de aislar bacterias o esporas de las partículas del suelo, selección del medio de cultivo,

    condiciones de crecimiento (pH, temperatura, luz), la incapacidad de cultivar un gran número

    de especies bacterianas y el potencial de inhibición de colonia-colonia o de propagación de

  • 5

    colonias. Además, el cultivo en placas favorece que determinados microorganismos tengan

    tasas de crecimiento más altas que otros. Todas estas limitaciones pueden influir en la

    aparente diversidad de la comunidad microbiana (Trevors, 1998; Tabacchioni et al., 2000;

    Kirk et al., 2004).

    Otro método utilizado para estudiar la diversidad de los microorganismos en el suelo es

    usar fuentes únicas de carbono. Garland y Mills (1991) desarrollaron una placa de 96 pozos

    con 95 fuentes de carbono diferentes y un control, la cual utilizaron para evaluar la

    diversidad funcional de una población bacteriana (placas de Biolog. http://www.biolog.com).

    El método se basa en la utilización de fuentes únicas de carbono (SSCU por sus siglas en

    inglés, Sole Source Carbon Utilization), el cual determina diferentes patrones de consumo de

    carbono por parte de bacterias, estas fuentes de carbono pueden ser para bacterias Gram

    negativas y Gram positivas. En un principio las placas fueron desarrolladas para caracterizar

    bacterias aisladas de casos clínicos en hospitales y no para analizar la diversidad microbiana

    de muestras ambientales. Posteriormente, la empresa desarrolló una placa que contiene 31

    fuentes de carbono ambientalmente relevantes. Alternativamente se han utilizado las placas

    con medio de cultivo y una sal de tetrazolio, o han añadido fuentes de carbono específicas.

    Este método ha sido utilizado para analizar la diversidad metabólica de comunidades

    microbianas en sitios contaminados, la rizósfera, los suelos del ártico, suelos tratados con

    herbicidas o suelos inoculados con microrganismos (Grayston et al., 1998; Choi y Dobbs,

    1999; Derry et al, 1999; El Fantroussi et al., 1999; Yao et al., 2000).

    Otro método similar al de las placas, es el kit de pruebas bioquímicas de la empresa

    Biomerieux (www.biomerieux.com.mx), conocido como Índice de Perfil Analítico (API por sus

    siglas en inglés, Analytical Profile Index), son tiras que contienen diversas fuentes de carbono

    que pueden ser utilizadas para medir la diversidad funcional de los microorganismos. El

    método es fácil de utilizar, es reproducible y produce una gran cantidad de datos que reflejan

    las características metabólicas de las comunidades microbianas, aunque tienen algunas

    limitantes, por ejemplo: sólo se pueden utilizar en microorganismos que pueden ser

    cultivables, son favorables para los microorganismos de crecimiento rápido, es sensible a la

    densidad del inóculo y puede haber ventaja competitiva in situ entre las especies, lo cual no

  • 6

    se puede ver reflejado en especies con poca actividad. Otra limitante es la fuente de

    carbono, por no ser representativa del suelo de donde fueron tomadas las muestras. Sin

    embargo, el método puede ser utilizado para estudiar la diversidad funcional de los suelos en

    conjunto con algún otro método (Torsvik et al., 1990; Kirk et al., 2004).

    En el suelo, de acuerdo a la facilidad de cultivo de las bacterias en condiciones de

    laboratorio, la mayoría de las cepas pertenecen a cuatro filos: Proteobacteria, Firmicutes,

    Bacteroidetes y Actinobacteria. Aunque Actinobacteria constituye en promedio el 20% de las

    comunidades de bacterias del suelo, sin embargo estos microorganismos son difíciles de

    cultivar y están representados por pocos géneros (Schloss y Handelsman 2003).

    Debido a esta problemática, se han buscado metodologías alternativas para la

    determinación de la diversidad de una población que no dependan del cultivo de

    microorganismos sino del estudio y análisis de su información genética. Como alternativa

    surgieron las técnicas moleculares que evitan la necesidad de aislamiento y cultivo de cepas

    microbianas. Un método pionero fue el análisis de genes conservados con regiones internas

    variables como las regiones intergénicas del gen 16S mediante el uso de técnicas

    electroforéticas como DGGE/TTGE, SSCP, ARDRA, RFLP, RAPD, LH-PCR, RISA; estas técnicas se

    basan en el polimorfismo de secuencia o polimorfismo en la longitud, aparte de ser rápidas y

    permiten el análisis simultaneo de varias muestras (Muyzer, 1999; Bedoya et al., 2002).

    La electroforesis en gel con gradiente desnaturalizantes (DGGE por sus siglas en inglés,

    Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) es un tipo de electroforesis que permite la

    separación de fragmentos de ADN del mismo tamaño pero con diferente secuencia de

    nucleótidos, los fragmentos son separados en un gel de poliacrilamida que contiene un

    gradiente lineal creciente de agentes químicos desnaturalizantes del ADN (una mezcla de

    urea y formamida). Durante la electroforesis se mantiene una temperatura constante (50 -

    65°C) y los fragmentos de ADN migran por el gel hasta encontrar una determinada

    concentración de urea y formamida a la cual las cadenas se separan localmente y el

    desplazamiento de las moléculas las disminuye o se interrumpe. La electroforesis en gel de

    gradiente de temperatura (TGGE por sus siglas en inglés, Temperature-gradient gel

  • 7

    electrophoresis) se basa en el mismo principio de la DGGE, excepto que se aplica un

    gradiente de temperatura en lugar de un desnaturalizante. A temperatura ambiente, el ADN

    es estable en forma de doble cadena, pero a medida que aumenta la temperatura, las hebras

    comienzan a separarse y la velocidad a la que se desplazan a través del gel, disminuye. La

    temperatura a la que se produce la fusión depende de la secuencia, por lo que, la TGGE no

    sólo separa las moléculas, también da información adicional acerca del comportamiento de

    fusión y la estabilidad. Tanto el método de DGGE y TGGE implican el uso de 5’-GC (30-50

    nucleótidos) en los oligonucleótidos usados en la PCR (Muyzer et al., 1993; Fernández y Le

    Borgne, 2014). Las desventajas de estas técnicas implican que el equipo sea costoso y de uso

    complejo, los iniciadores son más costosos por llevar CG, algunos reactivos son altamente

    tóxicos, sólo pueden separarse por DGGE fragmentos pequeños (500 pb), también es posible

    que ocurra la co-migración de fragmentos de ADN provocando la subestimación de la

    diversidad, lo cual también dificulta la secuenciación de estos fragmentos (Nikolausz et al.,

    2005). Ampe et al. (1999) investigaron la distribución espacial de la microbiota del pozol

    durante el proceso de fermentación Dilly et al. (2004) utilizaron DGGE para analizar suelos

    fertilizados con residuos agrícolas y mostraron que la diversidad bacteriana de estos suelos

    depende del tipo de residuo como del tipo de suelo, clima, vegetación y microbiota nativa

    presente.

    El polimorfismo de conformación de cadena simple (SSCP por sus siglas en inglés, Single

    Stranded Conformational Polymorphism) es una técnica de rastreo de mutaciones usada en

    el diagnóstico molecular basada en la migración electroforética del ADN. Los productos de

    PCR se desnaturalizan seguida de la separación de fragmentos de ADN de cadena sencilla en

    un gel de poliacrilamida no desnaturalizante (Schwieger y Tebbe 1998). A diferencia de la

    DGGE, el SSCP no requiere de oligonucleótidos sujetos a GC, ni geles con gradientes o un

    equipo especial de electroforesis. El SSCP es adecuado para fragmentos pequeños entre 150

    a 400 pb (Muyzer, 1999). Esta técnica se ha utilizada para diferenciar cepas puras de Bacillus

    subtillis, Pseudomonas fluorescens y Sinorhizobium meliloti aisladas de muestras de suelo.

    También se ha utilizado para el análisis de comunidades bacterianas de la rizósfera asociados

    a dos especies de plantas, Medicago sativa (alfalfa) y Chenopodium album (quelite cenizo o

  • 8

    quelite verde); los resultados mostraron que cada planta albergaba comunidades bacterianas

    distintas a pesar de crecer en el mismo suelo (Schwieger y Tebbe, 1998).

    El análisis de restricción del 16S ADN ribosomal amplificado (ARDRA por sus siglas en

    inglés, Amplified 16S Ribosomal DNA Restriction Analysis) es un método alternativo en

    estudios filogenéticos y taxonómicos. El método se compone del análisis del gen 16S rDNA

    con enzimas de restricción, ya sea por el mapeo de los sitios de restricción del gen en

    cuestión o mediante la estimación de fragmentos obtenidos en los patrones de restricción

    observados por electroforesis después de la digestión de la amplificación del gen del 16S

    rDNA (Chandna et al., 2013). Aunque esta técnica ofrece poca información sobre el tipo de

    microorganismos presentes en una muestra ambiental, se sigue utilizando para analizar de

    forma rápida a las comunidades microbianas, para comparar la diversidad microbiana bajo

    condiciones de cambio ambiental, para identificar clones únicos y estimar las unidades

    taxonómicas operacionales en librerías de clonas ambientales basados en perfiles de

    restricción de las clonas. Una de las principales limitaciones del ARDRA es la complejidad de

    los perfiles generados en comunidades microbianas ya que son difíciles de observar en geles

    de agarosa (Smit et al., 1997).

    El polimorfismo de la longitud de fragmentos de restricción (RFLP por sus siglas en

    inglés, Restriction Fragment Length Polymorphism) implica la fragmentación de una muestra

    de ADN por una enzima de restricción, que puede reconocer y cortar el ADN donde se

    produce una secuencia específica (Picca et al., 2004), una variante de esta técnica es el

    Polimorfismo de longitud de fragmentos terminales de restricción (T-RFLP por sus siglas en

    inglés, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism), en esta técnica se utiliza un

    marcador 5’ con fluorescencia durante la reacción de PCR, los productos de PCR se digieren

    con enzimas de restricción y los fragmentos terminales de restricción (T-RF por sus siglas en

    inglés, Terminal Restriction Fragment) se separan en un secuenciador de ADN automatizado

    (Thies, 2007). Sólo los T-RFs fluorescentes se detectan, simplificando el patrón de bandas y

    permite el análisis de comunidades microbianas complejas. Con el uso de la bioinformática,

    se han diseñado programas de análisis de T-RFLP que permiten asignar identidades putativas

    basados en una base de datos de fragmentos producidos por secuencias conocidas del gen

  • 9

    16S rDNA. Una desventaja de la técnica es subestimar la diversidad de la comunidad

    microbiana debido a que sólo se genera un número limitado de bandas que se pueden

    observar por gel (

  • 10

    pueden producir amplicones de la misma longitud (Mills et al., 2007). La LH-PCR se ha

    utilizado para el estudio de la evolución bacteriana en el fermento de suero del queso Grana

    Padano (Lazzi et al., 2004) y para investigar comunidades microbianas en muestras de suelo

    de diferentes cultivos agrícolas (Ritchie et al., 2000).

    El análisis del espaciador intergénico ribosomal (RISA, por sus siglas en inglés,

    Ribosomal Intergenis Spacer Analysis) implica la amplificación por PCR de una porción de la

    región espaciadora intergénica presente entre las subunidades ribosomales pequeñas (16S) y

    grandes (23S). Mediante el uso de oligonucleótidos que amplifican regiones conservadas en

    los genes 16S y 23S rRNA se pueden generar perfiles RISA para la mayoría de las bacterias

    dominantes existentes en una muestra ambiental. La versión automática de RISA se conoce

    como ARISA e implica utilizar oligonucleótidos fluorescentes siendo de esta forma identificar

    fácilmente la región espaciadora intergénica, sin embargo, esta técnica ha demostrado

    sobreestimar la riqueza y la diversidad microbiana (Fisher y Triplett, 1999). Ranjard et al.

    (2001) caracterizaron comunidades bacterianas de cuatro tipos de suelo de origen

    geográfico, cubierta vegetal y propiedades fisicoquímicas diferentes; sus resultados

    demostraron que ARISA es un método eficaz y sensible para detectar diferencias entre las

    comunidades bacterianas complejas a diferentes escalas espaciales (entre y dentro del sitio

    de variabilidad).

    El uso de las técnicas como la DGGE, SSCP, RFLP, RAPD, LH-PCR, RISA ha incrementado

    el conocimiento de la diversidad microbiana en comunidades complejas, ya que no requiere

    del cultivo de microorganismos para identificarlos, sin embargo estos métodos siguen

    teniendo algunas limitantes, por lo que no es posible analizar toda la información contenida

    en una comunidad microbiana y por tal motivo se requiere del uso de técnicas más

    avanzadas que proporcionen más información en la investigación, es por eso que se ha

    empleado el uso de la metagenómica.

    1.4 METAGENÓMICA

    La metagenómica es el análisis del metagenoma, el cual es el conjunto del ADN de los

    diversos microorganismos presentes en un hábitat (Ferrer, 2004; Herrera y Castellanos,

  • 11

    2007). La evolución metodológica de las técnicas de aislamiento y purificación de ácidos

    nucleicos, secuenciación y de ensamblado de secuencias, han hecho posible el desarrollo de

    esta metodología alternativa. En la última década, esta tecnología ha revolucionado el

    estudio de la diversidad microbiana, la obtención de metabolitos y el entendimiento de la

    dinámica de poblaciones microbianas. Desde el punto de vista biotecnológico, la

    metagenómica es una herramienta importante en la búsqueda de nuevos genes y genomas,

    actividades enzimáticas de interés industrial, que en conjunto con los avances en los

    métodos de secuenciación, permiten el escrutinio masivo de todo el conjunto de genomas de

    microorganismos presentes en una muestra (cultivables y no cultivables). El primer trabajo

    donde se demostró el potencial de la metagenómica en el descubrimiento de nuevos genes

    fue realizado por Rondon et al. (2000), donde a partir de muestra de suelo se identificaron

    genes que codifican para diversas actividades: hemolíticas, lipolíticas y amilolíticas.

    Posteriormente, se han identificado otros productos y actividades de interés biotecnológico

    como antibióticos nuevos (turbomicina A y B), enzimas (lipasas, esterasas, quinasas),

    proteínas de membrana, genes que codifican la ruta metabólica de síntesis de compuestos

    como el poli-hidroxibutirato (PHB) y vitaminas (Rondon et al., 2000; Gillespie et al., 2002;

    Handelsman et al., 2002), entre otros.

    Voget et al. (2003) identificaron en muestras de suelos genes que codifican para

    agarasas (de las cuales seis fueron totalmente nuevas), celulasas, amilasas, pectato-liasas,

    lipasas, así como diversas proteínas desconocidas. A partir de estos primeros estudios, la

    metagenómica se diversificó en la búsqueda de nuevos antibióticos, enzimas, rutas

    metabólicas y estudios de dinámica de poblaciones no caracterizadas y de importancia

    biotecnológica. Por lo tanto, la metagenómica es una herramienta que permite conocer

    genéticamente el contenido de una muestra ambiental (suelos, muestras oceánicas,

    sedimentos, piel, etc.). El estudio metagenómico de una muestra ambiental (Figura 1a)

    puede llevarse a cabo desde diferentes perspectivas, utilizando diversas metodologías que

    involucran no solo el análisis de las secuencias, sino también el estudio funcional. Por lo

    tanto para hacer un análisis metagenómico es necesario obtener ADN de buena calidad,

    seleccionar el método de análisis (secuenciación, escrutinio funcional, etc.) e integrar la

  • 12

    información obtenida. A continuación se describen las ventajas y desventajas de algunas

    estrategias para el estudio metagenómico de una muestra ambiental.

    1.5 ESTRATEGIAS PARA EL ESTUDIO DE UNA MUESTRA METAGENÓMICA

    1.5.1 Consideraciones para la obtención del material genético

    Este proceso es crucial, ya que la presencia de compuestos orgánicos en el ADN como

    melanina, hematina, sales biliares, ácidos húmicos y fúlvicos inhibe la actividad de las

    enzimas que son utilizadas posteriormente en su análisis por ejemplo ADN polimerasas,

    ligasas y endonucleasas (Figura 1b). Para purificar el ADN se requiere probar diversos

    productos, optimizar las técnicas de purificación, y/o utilizar resinas o sílicas (Rojas-Herrera

    et al., 2008). Para la purificación de ADN de muestras de ambientes extremos, los protocolos

    han tenido que modificarse, ya que los existentes han sido diseñados para ADN de muestras

    mesofílicas (Simon et al., 2009). Estos problemas se han abordado con el diseño de columnas

    de purificación que excluyen o atrapan a los inhibidores más comunes y al diseño de

    polimerasas más eficientes. Así mismo, desde el paso de purificación es necesario tener altas

    concentraciones de ADN (10-50 ng/L) porque el material genético se perderá en las

    múltiples etapas de manipulación subsecuentes (Wang y Wang, 1997; Mishra et al., 2002;

    Mochizuki y Wakisaka, 2007; Cortés-López et al., 2014).

    Debido a que la concentración, la cantidad total y la calidad del ADN metagenómico

    suele ser un factor limitante, en estudios recientes se ha optado por amplificarlo utilizando la

    técnica de amplificación de desplazamiento múltiple (MDA por sus siglas en inglés, Multiple

    Displacement Amplification), la cual emplea a la ADN polimerasa 29 bacteriófaga que

    produce amplicones 7-10 kb de longitud con una alta fidelidad, con ello se puede obtener

    cantidades suficientes de ADN (10 ng/L). Al extraer un ADN metagenómico de calidad, se

    pueden seguir diferentes rutas de análisis no excluyentes (Lay et al., 2013; Lewin et al., 2013)

    que se mencionan a continuación y se pueden visualizar en la Figura 1.

  • 13

    Figura 1. Estrategias para el estudio metagenómico de muestras ambientales.

  • 14

    1.5.2 Metagenómica por secuenciación

    En los inicios de la metagenómica, a partir de ADN purificado se construían librerías

    metagenómicas con la finalidad de realizar un análisis funcional (Figura 1c). Sin embargo, hoy

    en día la secuenciación es el método más común de análisis, debido al bajo costo de las

    técnicas post-Sanger de secuenciación, entre las que se encuentran la piro secuenciación, la

    secuenciación por síntesis como Illumina y por liberación de protones como Ion Torrent

    (Peña-Castro et al., 2013); por lo tanto, la tendencia es secuenciar el ADN metagenómico,

    provocando que sea el método de análisis preferido (Figura 1e). Entre las ventajas que

    presenta este método es la obtención de terabites de información genética, no involucra

    algún proceso de selección (cultivo o enriquecimiento del medio) y minimiza el sesgo de

    algunas metodologías como la amplificación de 16S rDNA (Figura 1f). Sin embargo, una

    desventaja de la secuenciación es el ensamblado bioinformático de las secuencias obtenidas.

    El ensamble se basa en empalmar las secuencias para reconstruir secciones completas y

    contiguas de ADN (contigs), con la finalidad de armar genomas completos. Muchas veces los

    “contigs” no son lo suficientemente grandes para abarcar toda una región (es como si

    perdiéramos fichas internas de un rompecabezas) y, por lo tanto, no pueden ensamblarse. Es

    preferible que los fragmentos producidos por la secuenciación sean grandes, ya que su

    ensamblaje será más fácil que si los fragmentos fueran más pequeños. Por otro lado, una vez

    obtenido el ensamble, es necesario que las secuencias que conforman una región se

    encuentren secuenciadas varias veces, a esto se le conoce como profundidad de la cobertura

    de secuenciación y un genoma completo se considera confiable si tiene más de seis

    repeticiones (6X). El esfuerzo computacional que requiere este proceso amerita instalaciones

    informáticas especiales, además, el empalme automático de las secuencias nucleotídicas

    requiere frecuentemente de la asistencia humana (Bonilla-Rosso et al., 2008). Así mismo,

    existe una gran cantidad de información depositada en las bases de datos (GenBank, IMG,

    KEGG GENOME, GOLD, etc.) que no ha sido completamente identificada. En numerosos

    estudios metagenómicos, cerca del 50% de las secuencias obtenidas no corresponde a genes

    previamente identificados (Jimenez et al., 2012; Lay et al., 2013).

  • 15

    1.5.3 Diseño de oligonucleótidos degenerados

    Otra estrategia de análisis del ADN metagenómico es el diseño de oligonucleótidos

    degenerados (Figura 1d), estos se crean mediante programas bioinformáticos, como

    primers4clades, a partir de grupos de secuencias previamente alineadas del gen de interés,

    sin embargo, tiene varios inconvenientes (Contreras-Moreira et al., 2009). El primero y más

    importante es el sesgo y la limitación de la información, ya que el diseño de los

    oligonucleótidos dependerá sólo de las secuencias reportadas en las bases de datos, por lo

    que será difícil encontrar secuencias nuevas. Otra desventaja es que, en el proceso de

    purificación del ADN no se eliminan por completo las sustancias inhibitorias que afectan la

    PCR, generando dificultades para amplificar los genes de interés (Rajendhran y Gunasekaran,

    2008; Técher et al., 2010). Finalmente, sólo un fragmento del gen se logra clonar debido a

    que los programas en los que se diseñan los oligonucleótidos, sean degenerados o no,

    arrojan los mejores modelos con base en el contenido de GC, Tm, longitud, etc., y muchas

    veces estas características no se cumplen para que los oligonucleótidos se anclen

    exactamente al inicio y al final del gen, por lo que, después hay que buscar el resto del gen

    por medio de diseño de nuevos oligonucleótidos y amplificaciones sucesivas, lo que puede

    tornarse complicado (Mishra et al., 2002; Myrick y Gelbart, 2002; Cowan et al., 2005). Sin

    embargo, este método tiene la ventaja de requerir concentraciones bajas de ADN (35 ng/ 50

    L de PCR).

    1.5.4 Librerías metagenómicas funcionales

    Finalmente, en el escrutinio funcional por librerías funcionales es necesario elegir un

    sistema de clonación y determinar el tamaño de los insertos a clonar, los cuales dependerán

    de la integridad del ADN (Figura 1c), el tamaño de los genes de interés y la estrategia de

    escrutinio. Los sistemas más comunes son los plásmidos (15 kb), los fagos (hasta 20 kb), los

    fósmidos y cósmidos (hasta 40 kb) y finalmente los Cromosomas Artificiales Bacterianos

    (BACs por sus siglas en inglés, Bacterial Artificial Chromosomes) para fragmentos mayores

    (Simon y Daniel, 2011). Generalmente, esta técnica se utiliza para el escrutinio de

    metabolitos o enzimas. Para la búsqueda de actividades enzimáticas se utilizan librerías de

    insertos pequeños (4-12 kb) ya que un tamaño pequeño permite que la mayoría de los genes

  • 16

    sean influenciados por las señales de expresión del vector, por lo tanto, tienen buena

    posibilidad de ser expresados y detectados por escrutinio funcional (Vieites et al., 2010). En

    cambio para la búsqueda de “clusters” o vías metabólicas completas, se requieren librerías

    con insertos de mayor tamaño (20-40 kb). Durante la elaboración de la librería es importante

    colocar puntos de control, para corroborar una adecuada construcción. Una vez hecha la

    ligación, y después de haber transformado bacterias competentes, es posible probar la

    funcionalidad de la librería mediante expresión inducida de los genes clonados. Esto se

    puede lograr mediante la detección fenotípica de la actividad deseada y/o por

    complementación heteróloga de mutantes o cepas hospederas (Chen et al., 2010).

    Posteriormente, las clonas que expresan la actividad deseada son caracterizadas

    bioquímicamente, secuenciadas y analizadas mediante herramientas bioinformáticas. Una de

    las principales desventajas de esta estrategia es el sistema de expresión, ya que muchas

    proteínas que requieran un plegamiento asistido o modificaciones postraduccionales

    difícilmente expresarán su actividad en sistemas procarióticos, por lo que será necesario

    utilizar sistemas de expresión eucarióticos como levaduras. Además, en el escrutinio

    funcional se requiere de un método robusto, reproducible y barato, ya que se requerirá

    analizar millones de clonas. Así mismo, un reto de esta fase es el diseño cuidadoso del

    sistema de selección, pues de ello dependerá lo novedoso de las secuencias que se aíslen, así

    como, las propiedades fisicoquímicas de las proteínas que se detecten. Entre las ventajas que

    este método presenta es que no se requieren conocimientos previos de la secuencia de los

    genes de interés, con ello hay más posibilidades de obtener secuencias novedosas

    (Riesenfeld et al., 2004; Schloss y Handelsman, 2003).

    1.5.5 Obtención de enzimas mediante estudios metagenómicos

    El suelo (sobre todo el rizosférico), ha sido uno de los microambientes predilectos para

    realizar estudios metagenómicos debido a su alta diversidad (Pathak et al., 2009; Voget et al.,

    2006). No obstante, se han realizado estudios en otros nichos ecológicos como superficies de

    sedimentos contaminados (Abulencia et al., 2006), agua de ríos (Uchiyama et al., 2005; Wu y

    Sun, 2009), hielo glaciar (Simon et al., 2009), suelo antártico (Heath et al., 2009) y rumen de

    bovinos (Duan et al., 2009), entre muchos otros. Algunos ejemplos de nuevos biocatalizadores

  • 17

    con capacidades enzimáticas diferentes a las reportadas son las lipasas con aminoácidos

    catalíticos distintos a los comunes en este tipo de enzimas o enzimas con actividad a

    temperaturas cercanas a la congelación; o una glucosidasa que no es inhibida ni por agentes

    quelantes ni por glucosa e incluso la actividad es incrementada a altas concentraciones de

    glucosa (Martínez- Martínez et al., 2013; Uchiyama et al., 2013). Recientemente se reportó

    una esterasa obtenida de metacultivos de naftaleno (Guazzaroni et al., 2013) altamente

    promiscua, capaz de hidrolizar a 44 ésteres con diferente estructura y niveles de

    enantioselectividad (Martínez-Martínez et al., 2014). Por otro lado, en suelo agrícola se

    identificaron dos α-glucosidasas que no son inhibidas por producto, incluso su actividad se

    incrementa a altas concentraciones de glucosa; además de ser estables a surfactantes como

    SDS y tritón (Biver et al., 2014).

    En el caso de estudios metagenómicos en ambientes extremos con temperaturas bajas,

    se destaca la construcción de la primera librería metagenómica de suelo de la Antártica donde

    se descubrió una esterasa con intervalo de actividad a temperatura muy amplia y con bajo

    porcentaje de identidad aminoacídica con las esterasas ya reportadas (Heath et al., 2009). A

    pesar de la aparente hostilidad ambiental de la Antártica, se reportó una amplia diversidad

    filogenética (Aislabie et al., 2006). La presencia de nuevas y diversas taxas sugiere la

    potencialidad de esta zona como fuente de material genético para encontrar enzimas

    industriales activas a temperaturas bajas (Cowan et al., 2002). Otro caso exitoso fue la

    construcción de una librería metagenómica a partir de hielo glacial, de la cual se lograron

    recuperar nueve ADN polimerasas tipo I, las cuales mostraron poca identidad a las ya

    reportadas (Simon et al., 2009). Aún son pocos los casos de construcción de librerías de

    ambientes con condiciones extremas en comparación con los de ambientes con condiciones

    moderadas.

    El suelo es uno de los compartimentos ecológicos de mayor diversidad genética

    microbiana (Curtis et al., 2002), debido a la riqueza de texturas y estructuras, determinadas

    principalmente por el contenido de arena, limo, arcilla, materia orgánica, contenido de agua,

    y pH (Robe et al., 2003). Tan solo, un solo gramo puede contener más de 4,000 especies

    diferentes de microorganismos (Torsvik y Ovreas, 2002), principalmente procariotas, que a su

  • 18

    vez poseen miles de enzimas diferentes, constituyendo una reserva enorme de nuevas

    moléculas (Robe et al., 2003).

    También se puede observar en la Tabla 1 que la clonación en plásmido y el escrutinio

    funcional son los métodos de análisis más frecuentes para la recuperación de enzimas. Las

    enzimas que comúnmente se obtienen de metagenomas de suelos son lipasas, esterasas y α-

    glucosidasas, éstas pueden hidrolizar enlaces C-C y C-O; desde una perspectiva ecológica,

    pueden contribuir al ciclo del carbono y posiblemente por ello sus genes están ampliamente

    distribuidos en las comunidades microbianas (Martínez-Martínez et al., 2013),

    principalmente del suelo.

    Del total de las enzimas aplicadas en la fabricación de productos de consumo humano,

    el 36% incluye proteasas, amilasas y celulasas. Comercialmente, las celulasas son las

    segundas enzimas más demandadas a nivel internacional, tan solo después de las amilasas.

    Las celulasas se emplean en distintos ámbitos industriales, principalmente para la generación

    de bioetanol de segunda generación, el cual se obtiene a partir de desechos agroindustriales.

    Las celulasas también se emplean como aditivos en productos de limpieza y alimenticios, así

    como en las industrias papelera y textil (Lorenz y Eck, 2005).

    Las lipasas son demandadas principalmente en la industria farmacéutica, para resolver

    mezclas racémicas, aunque dada su versatilidad de reacción en medios no convencionales son

    también utilizadas en detergentes, alimentos, resolución de ésteres, aminoácidos,

    agroquímicos, biosensores, biorremediación, cosméticos y perfumería. Se utilizan en la

    industria de los bioenergéticos para la producción de biodiesel (Hasan et al., 2006).

  • 19

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  • 21

    1.6 LA CUENCA DEL PAPALOAPAN Y SUS SUELOS

    La Cuenca del Papaloapan está conformada por el Río Papaloapan y sus afluentes, se

    ubica en el sureste de México, abarcando los estados de Puebla, Oaxaca y Veracruz. En el

    estado de Oaxaca, la región del Papaloapan tiene un clima cálido semihúmedo y húmedo,

    con una precipitación anual promedio de 1,300 a 3,000 mm. Esta región se encuentra al

    noroeste de la Sierra de Oaxaca o Sierra Norte, con una latitud norte de 18° 05’, una longitud

    oeste de 96° 08’, a una altitud promedio de 20 m.s.n.m. (metros sobre el nivel del mar). El

    Río Papaloapan se forma en las selvas tropicales y bosques templados de la Sierra Mazateca

    del estado de Oaxaca y vierte sus aguas hacia el norte, sobre la planicie costera del Golfo de

    México. Debido a la humedad y al clima, existe una diversidad de especies vegetales y

    animales, terrestres y acuáticas, nativas y exóticas. Además, los suelos de esta región son

    muy fértiles, los principales cultivos son la caña de azúcar, ocupando el 30% de la superficie

    cultivable, el maíz, arroz, piña, frijol, tabaco, plátano, mango, el coco y lichi el 70% de la

    superficie cultivable (OEIDRUS-OAXACA, 2005). Los suelos que predominan esta región son el

    ferrasol, fluvisol y phaenozems, los cuales tienen características muy particulares que

    permiten la existencia de microorganismos (CODICE A.C., 2010).

    Estudios realizados por el grupo de trabajo de la Dra. Sandra del Moral, han

    determinado que los suelos sembrados con caña de azúcar ofrece una mayor cantidad de

    microorganismos frente a otros suelos cultivados y no cultivados en la cuenca. En un primer

    trabajo se aislaron 21 cepas de suelos de caña de azúcar, de las cuales se identificaron

    mediantes pruebas bioquímicas y secuenciación los géneros Bacillus, Arthrobactery y

    Pseudomonas (Montor et al., 2011). En el trabajo realizado en la tesis de licenciatura de Juan

    José Montor Antonio en el año 2013, a partir de muestras de suelo con profundidad de 0-15

    cm, tomando 1 g de muestra diluida en peptona al 1%, de la dilución 10-1 se aislaron colonias

    bacterianas definidas, de las cuales se obtuvieron 12 cepas pertenecientes a los géneros

    Bacillus, Lysinibacillus y Pseudomonas, además se identificaron microorganismos que podrían

    ser nuevas especies de ciertos géneros debido a la baja identidad que mostraron con las

    cepas más cercanas (Montor-Antonio et al., 2014). Hasta el momento no hay reportes del

    análisis metagenómico de los suelos cultivados con caña de azúcar en la Cuenca del

  • 22

    Papaloapan. Debido al gran porcentaje de siembra que ocupa la caña de azúcar en la región,

    la importancia económica de dicho cultivo y a las características que presentan los suelos

    cultivados con caña de azúcar de la Cuenca del Papaloapan como: riqueza orgánica,

    fertilización constante y diversidad microbiana (Montor-Antonio, 2014), hemos decidido

    realizar un estudio metagenómico a este tipo de suelos a través de diferentes técnicas

    metagenómicas.

  • 23

    CAPÍTULO II.

    2.1 JUSTIFICACIÓN

    La metagenómica es una herramienta que permite analizar desde distintas perspectivas

    la diversidad y la funcionalidad de una muestra ambiental. La cuenca del Papaloapan es una

    zona megadiversa, y sus suelos seguramente también lo son, sin embargo han sido poco

    explorados, por lo que resulta interesante tener una aproximación de dicho hábitat mediante

    la utilización de herramientas metagenómicas.

    2.2 HIPÓTESIS

    Es posible analizar el ADN metagenómico de suelos de cultivos de caña de azúcar de la

    región del Papaloapan en el estado de Oaxaca utilizando diferentes técnicas metagenómicas

    complementarias de estudio: librerías en fagos, amplificación de genes codificantes para

    celulasas por oligonucleótidos degenerados y análisis de la diversidad por el gen 16S rDNA.

    2.3 OBJETIVO GENERAL

    Estudiar el ADN metagenómico de suelos de cultivos de caña de azúcar mediante tres

    técnicas metagenómicas complementarias: librerías metagenómicas funcionales,

    amplificación de genes de celulasas utilizando oligonucleótidos degenerados y análisis de la

    diversidad microbiana empleando el gen 16S rDNA.

    2.3.1 Objetivos específicos

    Seleccionar suelos de cultivo de caña de azúcar.

    Estandarizar el proceso de extracción y purificación de ADN metagenómico de suelos

    de cultivo de caña de azúcar.

    Construir una librería metagenómica y realizar una búsqueda funcional de clonas con

    actividad celulasa y esterasa.

    Amplificar genes codificantes para endoglucanasas mediante el diseño de

    oligonucleótidos degenerados.

    Amplificar y clonar el gen 16S rDNA de cultivos metagenómicos enriquecidos.

  • 24

    Analizar la diversidad del suelo de caña mediante el gen 16S rDNA de las clonas

    obtenidas mediante diferentes estrategias in vitro e in silico: ARDRA, secuenciación y

    filogenia.

    2.4 ESTRATEGIA EXPERIMENTAL

    Se hizo una selección de suelos, se colectaron muestras, las muestras se

    homogenizaron y se extrajo ADN metagenómico. El ADN metagenómico se analizó mediante

    tres técnicas metagenómicas diferentes: librerías funcionales (librerías metagenómicas en

    fagos lambda), amplificación de genes codificantes para celulasas y análisis de diversidad

    mediante la construcción de la librería del gen 16S rDNA (Figura 2).

    Selección de suelos y colecta de muestras

    Construcción de librerías

    metagenómicas en fagos lambda

    Amplificación de genes codificantes

    para celulasas

    Construcción y análisis in silico e in vitro de la librería del gen 16S rDNA

    Extracción de ADN metagenómico

    Figura 2. Análisis de ADN metagenómico de suelo.

  • 25

    CAPÍTULO III. CARACTERÍSTICAS DEL