Caracterización funcional e implicaciones biotecnológicas de los mecanismos moleculares de respuesta a estrés térmico y agentes xenobióticos en chlamydomonas reinhardtii

Resumen

Las microalgas están expuestas a diversos agentes estresantes, incluidos algunos de origen antrópico. Esta tesis tiene como objetivo el estudio de un estrés natural, el frío, y uno de origen antrópico, el Bisfenol A (BPA). El BPA se acumula en los ecosistemas acuáticos, siendo uno de los contaminantes más abundantes y peligrosos, dando lugar a trastornos endocrinos que en mamíferos derivan incluso en distintos tipos de cáncer. Sin embargo, y a pesar de esta evidencia, los efectos xenobióticos del BPA sobre las plantas y las microalgas aún son poco conocidos a nivel molecular. Para entender la respuesta, caracterizamos la respuesta fisiológica y proteómica de Chlamydomonas reinhardtii durante una exposición prolongada a BPA mediante el análisis de parámetros fisiológicos y bioquímicos combinados con proteómica. El BPA desequilibró la homeostasis del hierro y redox, lo que interrumpió por completo la función celular y desencadenó ferroptosis. Curiosamente, las microalgas tienen la capacidad de recuperarse de la exposición a este contaminante, tanto a nivel molecular como fisiológico, mientras acumula almidón a las 72 h de exposición a BPA. En este trabajo abordamos los mecanismos moleculares involucrados en la exposición al BPA, demostrando por primera vez la ocurrencia de ferroptosis en un alga eucariota, y cómo esta situación fue revertida por mecanismos de desintoxicación de ROS y otros reordenamientos proteómicos específicos. Estos resultados son de gran importancia no solo para comprender la toxicología del BPA o explorar los mecanismos moleculares de la ferroptosis en microalgas, sino también para definir nuevos genes diana para el desarrollo eficiente de cepas de biorremediación de microplásticos. La mayoría de los ecosistemas habitados por microalgas sufren intervalos de frío periódicos que impactan el ciclo de vida de las microalgas. El frío también es una fuente de estrés importante, pero también un fenómeno natural que marca el ritmo circadiano para las plantas terrestres a través de ritmos internos a cargo del establecimiento de las diferentes etapas del desarrollo (por ejemplo, floración, maduración del fruto, brote de las yemas). La comprensión de los mecanismos básicos que impulsan la percepción, señalización y aclimatación a bajas temperaturas en las microalgas podría darnos pistas sobre el origen del mecanismo más complejo observado en las plantas hoy en día. Entre los procesos celulares involucrados en la respuesta al frío, la epigenética parece ser un actor importante. Sin embargo, los mecanismos epigenéticos que tienen lugar en Chlamydomonas son poco conocidos. Por ello, cultivamos este microorganismo con 5 epi-drogas con capacidad de modular rutas epigenéticas. Bajo estrés por frío, en combinación con los epi-drogas, se midió el crecimiento de Chlamydomonas durante 72 h. La reducción de la acetilación en histonas condujo a una disminución del crecimiento. Además, la reducción de la metilación en adenina en condiciones de frío indujo la muerte celular tras 72 h de crecimiento. Sin embargo, la reducción del contenido de 5mC no induce la disminución de la biomasa celular como la inhibición de 6mA, mientras que la inducción de la metilación general mejora ligeramente el crecimiento. Gracias a los hallazgos proporcionados por el enfoque de epi-drogas, investigamos el papel de la 6mA (marca característica de los procariotas). Primero, cultivamos Chlamydomonas en frío más la combinación de inhibición 6mA y agentes que promueven la metilación. Este tratamiento combinado recuperó parcialmente el crecimiento de Chlamydomonas en comparación con aquellos con 6mA reducidos. Además, descubrimos que después de 6 h de tratamiento con el agente reductor de 6 mA en frío, Chlamydomonas no pudo recuperarse incluso retirando la droga de los cultivos. Para obtener información sobre los mecanismos de metilación relacionados con la aclimatación al estrés por frío, analizamos la epigenómica y la transcriptómica de cultivos refrigerados en tratamientos de control y con el agente reductor de 6mA. Los resultados mostraron que el epi-droga utilizado redujo la metilación de la adenina en las primeras 5 horas de tratamiento. La metilación de adenina acumula mayores diferencias entre los controles y los tratamientos con pyrimidinedione. Finalmente, definimos cómo Chlamydomonas 6mA es clave en la modulación de genes de respuesta para enfrentar el estrés por frío y la supervivencia.