Identificación de genes expresados diferencialmente durante la biooxidación de arsenopirita, por un consorcio de microorganismos aislados en una mina de Antioquia

Abstract

Mines represent particular environments where several microorganisms fulfill crucial roles in the biogeochemical cycles and are a very interesting biotechnological source. Circumneutral effluents emanating from the Colombian gold mine El Zancudo led to isolate acidophilic chemolithoautotrophic bacterial strains. The indigenous strains were screened to obtain pure cultures of bacteria having resistance to high arsenic concentrations. Some of the strains exhibiting relatively good resistance to arsenite and were able to catalyze arsenopyrite oxidation through adaptation by successive increasing pulp concentrations cultures. A defined bacterial consortium was prepared in a ratio 1:1 with the iron oxidizing strain Acidithiobacillus ferrianus (IBUN Ppt12) and the sulfur oxidizing Acidithiobacillus sp. (IBUN Pt1247 S3), this consortium showed iron and arsenic lixiviation while growing on refractory ore composed mainly by arsenopyrite with a pulp density up to 10 % at 30 °C. In the course of the adaptation to increasing pulp concentrations in medium, it was extracted the total RNA from the consortium, getting samples of three different conditions, upon the arsenopyrite concentration. The transcriptomic profile and differential expression analysis confirmed that both strains harbor two copies of the ars operon. Several genes encoding for transmembrane ion transport proteins, stress response mechanisms, accumulation of inorganic polyphosphates and electron transport proteins have been identified as induced during adaptation whilst RNA transcripts related to motility suggested some kind of repression. This thesis makes up the first transcriptomic research of indigenous strains and also provides highlights of the genetic response during the biooxidation of arsenopyrite, becoming an important breakthrough for the biomining research in Colombia.

Las minas constituyen ecosistemas complejos caracterizados por la presencia de una gran diversidad de microorganismos que cumplen importantes funciones en los ciclos biogeoquímicos y poseen gran potencial biotecnológico. A partir de muestras colectadas en efluentes con pH circum-neutro provenientes de la mina de oro El Zancudo, ubicada en Antioquia, se logró el aislamiento de bacterias quimiolitoautótrofas acidófilas con capacidad de tolerar altas concentraciones de arsénico en el medio de cultivo. Así mismo, estas cepas mostraron capacidad de adaptarse a cultivos con incrementos progresivos de arsenopirita en concentraciones de pulpa hasta del 10 %. Con este grupo de cepas se estableció un consorcio conformado por una cepa de Acidithiobacillus ferrianus (IBUN Ppt12) y una cepa de Acidithiobacillus sp. (IBUN Pt1247-S3) en proporción 1:1, que demostraron la lixiviación de hierro y arsénico durante la biooxidación de arsenopirita a 30 °C. Durante el proceso de adaptación a incrementos sucesivos en el mineral se obtuvo el RNA total de las células planctónicas en tres condiciones diferentes y tras secuenciación del transcriptoma por RNA-Seq se obtuvo un perfil transcripcional del consorcio para cada condición. El análisis de expresión diferencial confirmó la regulación de genes asociados con los operones ars presentes por duplicado en ambas cepas. Se pudo establecer la inducción de genes relacionados con transporte de moléculas a través de membrana, mecanismos de respuesta al estrés, acumulación de polifosfatos inorgánicos y procesos de biooxidación; así como también, la represión de varios genes asociados con movilidad. Este proyecto constituye la primera investigación de transcriptómica con cepas acidófilas nativas y proporciona evidencia sobre la respuesta genética ocurrida durante la biooxidación de arsenopirita, un avance importante en el estudio y aplicación de la biominería en Colombia.