Este é um resumo de: SU, C. et al. Biorremediação de poluentes orgânicos complexos por projetos Vibrio Natriegens. Natureza https://doi.org/10.1038/S41586-025-08947-7 (2025).
O problema
Os poluentes orgânicos representam riscos ambientais consideráveis devido à sua toxicidade, persistência e potencial para transporte atmosférico de longo alcance1. Muitos desses poluentes podem ser degradados ou transformados em outros compostos por alguns microorganismos2. No entanto, ambientes contaminados, como águas residuais industriais e locais marinhos poluídos por petróleo, geralmente contêm misturas complexas de poluentes orgânicos. As cepas bacterianas que ocorrem naturalmente podem normalmente degradar apenas um composto ou algumas que estão estruturalmente relacionadas. Além disso, essas cepas são frequentemente sensíveis à alta salinidade, limitando sua eficácia na remediação desses locais.
A solução
Uma tensão bacteriana chamada Pseudomonas aeruginosa O HS9 possui um conjunto de genes que permitem degradar poluentes orgânicos chamados HBCDs. Anteriormente, expressamos esses genes em uma bactéria que dividiu rapidamente, Vibrio Natriegens Vmax, para projetar uma cepa VMAX degradadora de poluente3.
No presente estudo, pretendemos desenvolver uma tensão bacteriana que possa degradar não apenas um, mas vários poluentes, integrando vários aglomerados de genes que permitem a degradação de um composto específico (Fig. 1). Para melhorar a eficiência dessa engenharia do genoma, inserimos tfox -Um gene que codifica uma proteína de fator de transcrição que permite a aceitação de longos fragmentos de DNA-no cromossomo 1 de V. Natriegens. Isso nos permitiu desenvolver uma abordagem que chamamos de ‘transformação natural iterativa baseada em vmax com amplificado tfox efeito ‘(íntimo) para facilitar a inserção e expressão de fragmentos de genes longos. Em seguida, redesenhamos os aglomerados de genes que permitem que sete cepas bacterianas degradam compostos aromáticos, inserimos -os no V. Natriegens genoma e avaliaram sua funcionalidade. Cinco dos clusters de genes reprojetados efetivamente permitiram a degradação de compostos, e nós os integramos sequencialmente em V. Natriegens usando íntimo. Testamos a cepa resultante, o VCOD-15, quanto à sua capacidade de remediar misturas de poluentes orgânicos em meios salinos, amostras de águas residuais industriais e solos salinos.
Figura 1 | Esquema do desenvolvimento de tensão bacteriana Vibrio Natriegens VCOD-15, que pode degradar cinco poluentes orgânicos. O VCOD-15 foi projetado usando uma estratégia Design-Build-Test-Learn. Os aglomerados de genes redesenhados que cada um permite a degradação de um único poluente foram sintetizados, montados em células de levedura e inseridos no genoma de V. Natriegens bactérias. Para aumentar a eficiência de introduzir esses aglomerados, o gene tfox foi integrado ao genoma para permitir que a célula bacteriana ocupe fragmentos de DNA longos (ou seja, sofrem ‘transformação natural’) sem a necessidade de loops de DNA chamados plasmídeos auxiliares. As cepas contendo diferentes números de aglomerados de genes de degradação foram testados quanto à sua capacidade de converter os poluentes em subprodutos não tóxicos. Por fim, os aglomerados de genes funcionais foram vinculados de ponta a ponta e inseridos em uma única cepa de ‘chassi’ de V. Natriegensproduzindo vcod-15. As imagens foram criadas usando o Biornder (https://biornder.com).
Depois que inserimos tfoxa eficiência de integrar fragmentos de genoma no V. Natriegens O genoma aumentou de 1% para 78%. Utilizamos o íntimo para inserir cinco aglomerados de genes degradantes de poluentes, totalizando 43.000 pares de bases de DNA, no cromossomo 2 para gerar a cepa final de engenharia, VCOD-15. Nas culturas de balão salinas, o VCOD -15 removeu 100,0% de bifenil, 60,7% de fenol, 71,8% de naftaleno, 89,3% de dibenzofurano e 89,9% do tolueno em 48 horas. Outras experiências em biorreatores mostraram que o VCOD-15 removeu 90% dos cinco poluentes de amostras de águas residuais industriais e reduziu consideravelmente a concentração desses poluentes orgânicos complexos no solo salino. Rastreamento de isótopos estável usando 13Bifenil e fenol marcado com C, juntamente com 2Naftaleno, dibenzofurano e tolueno, confirmaram a presença de intermediários moleculares que se espera que ocorram durante a degradação ao longo das vias metabólicas relevantes.
Direções futuras
O sistema íntimo fornece uma plataforma robusta para a engenharia de cepas bacterianas para metabolizar uma ampla gama de substratos. Poluentes marinhos, como corantes azo, organohalides e microplásticos, apresentam crescentes desafios ambientais, de modo que os aglomerados de genes que os degradam poderiam ser incorporados ao VCOD-15 para aumentar seu potencial de remediação.
Apesar desse potencial, no entanto, o VCOD-15 tem algumas limitações. Notavelmente, não pode usar poluentes como fontes de carbono ou energia para crescimento e, portanto, requer fontes externas de carbono, como extrato de levedura ou licor íngreme de milho, durante o tratamento de águas residuais. Além disso, o VCOD-15 exibe menos crescimento em ambientes de baixa salinidade do que os degradantes, como a bactéria Pseudomonas putidaque são nativos desses ambientes. Isso dificulta a aplicação do VCOD-15 em áreas marinhas costeiras, onde as entradas de água doce podem fazer com que a salinidade flutue4.
Para garantir a segurança ambiental, sistemas ou mecanismos de biocontaio para impedir a propagação não intencional do VCOD-15 ou cepas relacionadas no ecossistema-como sistemas genéticos chamados loops de suicídio induzíveis que desencadeiam a morte celular de maneira controlada-pode ser integrada a cepas projetadas. Além disso, os elementos de DNA equipados com biossensores que regulam diferencialmente a expressão gênica, dependendo das concentrações de poluentes, podem permitir controlados in situ degradação. Tais estratégias podem permitir o término seguro de comunidades microbianas no ecossistema assim que a remediação estiver concluída5. – Hongzhi Tang está na Universidade de Xangai Jiao Tong, Xangai, China e Junbiao Dai, está no Instituto de Genômica Agrícola de Shenzhen, Academia Chinesa de Ciências Agrícolas, Shenzhen, China.
Atrás do papel
O momento mais emocionante deste projeto ocorreu em 31 de agosto de 2022, quando observamos pela primeira vez o VCOD-15 removendo todos os cinco poluentes de um meio salino. Notavelmente, o VCOD-15 superou um consórcio sintético de cinco cepas individuais de remediação de poluentes no tratamento de uma mistura desses compostos. No entanto, provar sua eficácia em condições do mundo real-além de frascos e tubos controlados-mostrou-se excepcionalmente desafiador. Dedicamos esforços substanciais à coleta de amostras de águas residuais e a construção de dispositivos experimentais, incluindo biorreatores e matrizes de maconha, para avaliar o desempenho do VCOD-15 na remediação de águas residuais e solo. Durante um período de 20 meses, nossa equipe trabalhou horas prolongadas, frequentemente sacrificando fins de semana e férias, para superar esses desafios e, finalmente, alcançar esse avanço. – ht
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