Estudio del crecimiento en cianobacterias a nivel unicelular

Abstract

RESUMEN : Las cianobacterias son los únicos procariotas capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica y fueron las responsables de la oxigenación de la atmósfera terrestre. Su capacidad para fijar el CO2 atmosférico y su versatilidad metabólica las convierten en candidatas atractivas para el desarrollo de una biotecnología verde y sostenible. Un obstáculo importante para su adopción como plataformas biotecnológicas reside en su relativa lentitud de crecimiento, en comparación con sus homólogos procariotas heterótrofos. Además, al depender de los ciclos de luz y día para su crecimiento, el genoma y la fisiología de las cianobacterias tienen un carácter fuertemente circadiano. Esto se manifiesta en una fase de detención durante varias horas del día, lo que reduce su tasa de crecimiento. Para abordar estas cuestiones, se realizó un experimento de evolución a largo plazo con la cianobacteria modelo Synechococcus elongatus. Se demostró que una cepa evolucionada durante 1000 generaciones bajo luz continua crecía el doble de rápido que su ancestro. En este trabajo caracterizamos a nivel unicelular la tasa de crecimiento de las cepas ancestral y evolucionada. Utilizamos microscopía de fluorescencia para obtener análisis de crecimiento de más de 3 días, de los que se pudieron extraer los tiempos de división de una sola célula. Nuestros resultados mostraron que la ventaja de crecimiento de la cepa evolucionada era específica para cada condición, y probablemente dependía de la suplementación de CO2. También desarrollamos una plataforma basada en microfluídica para la observación a largo plazo del crecimiento de cianobacterias en canales confinados. Sorprendentemente, este dispositivo inhibió fuertemente el crecimiento de las cianobacterias. Nuestros resultados sugieren que ni la geometría ni el material del dispositivo son responsables de la inhibición, lo que pone de manifiesto la dependencia del crecimiento de las cianobacterias de las condiciones experimentales específicas.

ABSTRACT : Cyanobacteria are the only prokaryotes that are capable of oxygenic photosynthesis, and they were responsible for the oxygenation of the Earth´s atmosphere. Their ability to fix atmospheric CO2 and their metabolic versatility make them appealing candidates for the development of a sustainable, green biotechnology. A major roadblock in their adoption as biotechnological platforms resides in their relative slow growth rate, when compared to their heterotrophic prokaryotic counterparts. Moreover, being dependent on day/light cycles for their growth, the genome and physiology of cyanobacteria have a strongly circadian character. This manifests in an arrest phase during several hours of the day, which reduces their growth rate. To tackle these issues, a long-term evolution experiment was performed with the model cyanobacterium Synechococcus elongatus. A strain evolved for 1000 generations under continuous light was shown to grow twice as fast as the ancestor. In this work we characterized at single-cell level the growth rate of both the ancestral and evolved strains. We used time-lapse fluorescence microscopy to obtain growth traces of more than 3 days, from which single-cell division times could be extracted. Our results showed that the growth advantage of the evolved strain was condition-specific, and likely dependent on the CO2 supplementation. We also developed a microfluidic-based platform for the long-term observation of cyanobacterial growth in confined channels. Surprisingly, this device strongly inhibited cyanobacterial growth. Our results suggested that neither geometry nor the material of the device were responsible for the inhibition, highlighting the dependence of cyanobacterial growth on the specific experimental conditions.