Identificar e rastrear elementos móveis em comunidades de compostagem em evolução produz insights sobre o nanobioma

ISME Communications volume 3, Artigo número: 90 (2023) Citar este artigo

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A evolução microbiana é impulsionada por mudanças rápidas no conteúdo genético mediadas pela transferência horizontal de genes (HGT). Embora os elementos genéticos móveis (MGEs) sejam importantes impulsionadores do fluxo gênico, o nanobioma – o zoológico de replicadores darwinianos que dependem de hospedeiros microbianos – permanece mal caracterizado. Novas abordagens são necessárias para aumentar a nossa compreensão além dos MGE que moldam populações individuais, no sentido dos seus impactos em comunidades microbianas complexas. Um pipeline de bioinformática (xenoseq) foi desenvolvido para comparar amostras metagenômicas de consórcios microbianos evoluindo em paralelo, com o objetivo de identificar a disseminação de MGE, que foi aplicado a comunidades de compostagem que passaram por mistura periódica de MGEs. Mostramos que o xenoseq pode distinguir o movimento dos MGEs das mudanças demográficas na composição da comunidade que de outra forma confunde a identificação e, além disso, demonstra a descoberta de várias entidades inesperadas. De particular interesse foi uma nanobactéria do filo candidato à radiação (CPR), que está intimamente relacionada com uma espécie identificada em ecossistemas de águas subterrâneas (Candidatus Saccharibacterium), e parece ter um estilo de vida parasita. Destacamos também outro elemento móvel prolífico, um plasmídeo de 313 kb hospedado por uma linhagem Cellvibrio. Prevê-se que o hospedeiro seja capaz de fixar nitrogênio, e a aquisição do plasmídeo coincide com o aumento da produção de amônia. Tomados em conjunto, nossos dados mostram que novas estratégias experimentais combinadas com análises bioinformáticas de dados metagenômicos podem fornecer informações sobre o nanobioma como um impulsionador da evolução da comunidade microbiana.

A transferência horizontal de genes (HGT) pode afetar significativamente o destino evolutivo dos micróbios [1,2,3]. Além da transformação - onde as bactérias absorvem diretamente o DNA ambiental - todo o movimento horizontal do material genético é catalisado por elementos genéticos móveis (MGEs), entidades darwinianas com dinâmica própria [4]. No século passado, uma multiplicidade de MGEs foi observada, variando desde bacteriófagos distintamente parasitas [5,6,7,8,9] e transposons [10,11,12], até plasmídeos [13,14,15] e integrativos. e elementos conjugativos (ICEs) [16,17,18,19]. Mais recentemente, novos elementos móveis estão sendo descobertos em todo o mundo microbiano, como REPINs [20, 21], Starships [22] e Borgs [23], e até cromossomos inteiros de fungos parecem estar em movimento [24,25 ,26].

A relação entre MGEs e hosts é complexa, em constante mudança e altamente dependente do contexto. Por exemplo, embora os elementos conjugativos sejam tipicamente benignos, eles também podem promover a auto-sobrevivência às custas dos hospedeiros [19, 27]. Da mesma forma, embora os bacteriófagos sejam tipicamente predadores ou parasitas, eles podem ser cooptados para beneficiar os hospedeiros [5, 28,29,30]. Além disso, os MGEs podem recombinar-se entre si ou parasitar outros elementos móveis [31,32,33,34,35]. Tomados em conjunto, esses processos podem ser fundamentais para a nossa compreensão das comunidades microbianas como coleções de genes adaptativos localmente, em vez de espécies adaptadas localmente [36, 37]. Embora o âmbito e a escala do fluxo de ADN através das comunidades microbianas através de MGEs sejam atualmente pouco compreendidos, trabalhos recentes sugerem que o fluxo pode ser altamente significativo, mesmo na medida em que define e impulsiona um processo a nível comunitário com efeitos semelhantes ao sexo nas populações [ 38, 39].

Além de mover genes necessários para a auto-replicação e transmissão, os MGEs frequentemente medeiam a transferência de genes hospedeiros aos quais se ligam. Seja intencionalmente ou por acidente, os MGEs que adquirem genes que melhoram a aptidão do hospedeiro serão rapidamente amplificados pela seleção, sendo os genes capturados amplamente disseminados. Ocasionalmente, os efeitos podem ser altamente consequentes, por exemplo, o movimento de ICEs que transportam genes para nodulação e fixação de nitrogênio convertem rizóbios não simbióticos em simbiontes de plantas em uma única etapa [40, 41]. Os ICEs também foram identificados observando o movimento da resistência antimicrobiana [42, 43] e genes de resistência a metais pesados ​​[18]. No entanto, tais rotas para a descoberta dependem tanto da capacidade de cultivar micróbios focais quanto do transporte de características fenotípicas selecionáveis.