Estudio del papel del ritmo circadiano en la adaptación a nuevos ambientes en la cianobacteria Synechococcus elongatus PCC7942

Abstract

Las cianobacterias se han postulado en los últimos años como modelo de estudio de múltiples procesos fisiológicos y también como chasis autotrófico de producción bacteriana. Sin embargo, no crecen tan rápido como otras cepas productoras y su crecimiento es altamente dependiente no solo de las condiciones ambientales, si no de su propio ciclo circadiano. Por ello, realizamos un experimento de evolución dirigida en condiciones de extrema luz, carbono y temperatura para optimizar el crecimiento de la cianobacteria modelo Synechococcus elongatus PCC 7942 y comprender mejor su plasticidad fenotípica. La cepa que obtuvimos, C11, crece 6 veces más rápido que la WT, aunque únicamente en las condiciones del experimento de evolución. Este fenotipo extremo se debe a la combinación de tan solo dos mutaciones fijadas en su genoma, una de ellas en una proteína de la ruta del ritmo circadiano. Esta mutación genera una supresión de parte del ciclo, fijando C11 en un estado transcriptómico “de luz alta perpetua”, que también encontramos en otras cepas de crecimiento rápido, sugiriendo que se trata de un mecanismo convergente que permite el crecimiento rápido. Además, aunque esa alteración supone letalidad en ciclos de luz/oscuridad, es solventada en condiciones de alto carbono. En resumen, nuestros resultados indican que Synechococcus elongatus PCC 7942 muestra una notable plasticidad fenotípica, siendo capaz de adaptarse rápidamente a condiciones de alta iluminación y que el ciclo circadiano juega un papel clave en esta adaptación.

Cyanobacteria have been proposed in recent years as a model for studying various physiological processes and as an autotrophic chassis for bacterial production. However, they do not grow as rapidly as other productive strains, and their growth is highly dependent not only on environmental conditions but also on their own circadian cycle. Therefore, we conducted a directed evolution experiment under extreme light, carbon, and temperature conditions to optimize the growth of the model cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 and gain a better understanding of its phenotypic plasticity. The strain we obtained, C11, grows 6 times faster than the WT, but only under the conditions of the evolution experiment. This extreme phenotype is exclusively due to the combination of only two mutations fixed in its genome, one of them in a protein of the circadian rhythm pathway. This mutation generates a suppression of part of the cycle, locking C11 into a "perpetual high-light" transcriptomic state, which we also found in other fast-growing strains, suggesting it is a convergent mechanism that enables rapid growth. Furthermore, although this alteration results in lethality in light/dark cycles, it is overcome under high carbon conditions. In summary, our results indicate that Synechococcus elongatus PCC 7942 shows remarkable phenotypic plasticity, being able to rapidly adapt to high-light conditions, and the circadian cycle plays a key role in this adaptation.