Genómica evolutiva de bacterias simbiontes de insectos

Andrés Moya, Amparo Latorre, Francisco J. Silva, Rosario Gil, Juli Peretó, Carlos García Ferris, Purificación Carrasco, Ana Gutiérrez Preciado, Sergio López Madrigal, Alejandro Manzano, Vanesa Martínez, Mariana Reyes y Diego Santos García.

Genética evolutiva, Instituto Cavanilles de Biodiversidad y Biología Evolutiva. Universitat de València

andres.moya@uv.es

Foto de grupo. Miembros del grupo durante la visita del Dr. Matsuura (Octubre 2014). De izquierda a derecha, Yee Ying Chang, Francisco Silva, Carlos Vargas, Mariano Collantes, Mariana Reyes, Miquel Barberá, Ana Gutiérrez, Rosario Gil, Purificación Carrasco, Amparo Latorre,Yu Matsuura, Carlos García y Andrés Moya. Delante, Diego Santos.

Los insectos constituyen el grupo animal con más especies conocidas y, con excepción de algunos hábitats extremos, han conquistado todos los espacios terrestres conocidos. Las interacciones simbióticas con microorganismos, altamente interdependientes y bien reguladas, han sido claves en este carácter adaptativo de los insectos. De hecho, se estima que prácticamente todos los insectos están implicados en algún tipo de simbiosis con bacterias. Nuestro grupo está especializado en el estudio de estas interacciones bacteria-insecto desde la doble perspectiva evolutiva y sistémica, tomando como punto de partida el análisis genómico de asociaciones simbióticas con diferente antigüedad y nivel de integración, y utilizando técnicas experimentales y computacionales.

Alrededor del 15% de los insectos mantienen simbiosis mutualistas obligadas con bacterias endosimbiontes. Estas bacterias viven en células especializadas del hospedador (bacteriocitos) que con frecuencia se agrupan formando un órgano (bacterioma) situado en la cavidad abdominal del cuerpo del insecto. Atendiendo a su relevancia para la supervivencia del hospedador, existen endosimbiontes primarios (P-endosimbiontes, esenciales) y secundarios (S-simbiontes, facultativos). Los P-endosimbiontes se transmiten exclusivamente de forma vertical, de la madre a la descendencia. El establecimiento de este tipo de relaciones permitió a los hospedadores alimentarse con dietas pobres en algunos nutrientes esenciales, que son aportados por sus endosimbiontes, y la colonización de nuevos nichos. Es el caso de insectos que se alimentan de savia vegetal (pulgones, mosca blanca, cochinillas), pobre en aminoácidos esenciales y algunas vitaminas, o de sangre de vertebrados (mosca tse-tsé, piojos), pobre en vitaminas y cofactores. En otros insectos con dietas complejas (hormigas, cucarachas), la asociación es también nutricional, permitiendo el reciclaje de nitrógeno y su aprovisionamiento en fases del desarrollo en que su aporte es escaso o nulo pero imprescindible (por ejemplo, la metamorfosis). A cambio, las bacterias se benefician de un nicho intracelular estable, con una fuente permanente de nutrientes por parte del hospedador.

Para entender la naturaleza del proceso que lleva al establecimiento de estas relaciones mutualistas obligadas, en nuestro laboratorio investigamos la evolución de genomas de endosimbiontes de insectos en varias fases del proceso de integración, desde simbiosis recientes con genomas no reducidos, hasta otras extremas con genomas tan reducidos que no cubren las necesidades nutricionales de sus hospedadores y requieren del establecimiento de consorcios microbianos (Tabla 1). Ello nos ha permitido plantear hipótesis que expliquen el ritmo, modo y consecuencias del proceso de reducción genómica que experimentan estas bacterias. Para completar este tipo de estudios, estamos llevando a cabo análisis de expresión génica global, transcriptómico y proteómico, que nos permitan comparar las distintas soluciones que diferentes sistemas adoptan en función de sus simbiontes y del grado de reducción de sus genomas. Es el caso de cuatro especies de pulgones con un mismo P-endosimbionte (Buchnera aphidicola) que aparece junto a otro simbionte (Serratia symbiotica) con distintos grados de integración (desde facultativo a co-primario), o el de cepas de mosca blanca con un mismo P-endosimbionte (Portiera aleyrodidarum) y diferentes S-simbiontes. De particular interés es el caso de las cochinillas algodonosas de la subfamilia Pseudococcinae, donde se presenta una endosimbiosis anidada, en la que una bacteria endosimbionte (Tremblaya prínceps) alberga en sus células un segundo endosimbionte co-primario (Moranella endobia).

Tabla 1. Genomas de endosimbiontes secuenciados en nuestro laboratorio.

Nuestros análisis sobre genomas reducidos han sido además el punto de partida de diversos proyectos teóricos sobre de la composición y evolución de hipotéticos genomas mínimos, así como la inferencia de sus redes metabólicas y el análisis sistémico de las mismas (FBA, variabilidad, clasificación de modos, comparación de “subconjuntos enzimáticos” con los datos de transcriptoma y proteoma…). También hemos iniciado una línea de trabajo experimental utilizando la cucaracha Blatella germanica como insecto modelo, para conocer la regulación de la expresión génica en endosimbiontes de insectos sometidos a dietas con distinto contenido proteico.

Además de las relaciones endosimbióticas, muchos insectos mantienen asociaciones con comunidades bacterianas ectosimbióticas, cuyo papel en la biología de los insectos empezamos a conocer. Muchos de estos ectosimbiontes colaboran en el procesado de una dieta de bajo nivel nutricional, generalmente tóxica, por lo que su potencial biotecnológico es obvio. Queremos, además, estudiar el posible papel de los ectosimbiontes que componen la microbiota intestinal de Blatella germanica complementando el papel de los endosimbiontes.

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