Estrategia de selección y evaluación de actividades biológicas de interés cosmético de una colección de microorganismos

Abstract

[spa] Ante la creciente demanda de recursos naturales e innovadores en la industria biotecnológica, la bioprospección emerge como una herramienta prometedora para el aislamiento de microorganismos y moléculas con aplicación en el campo de la biotecnología. En los últimos años, se han desarrollado y perfeccionado métodos para la búsqueda de nuevas fuentes de compuestos bioactivos. En esta tesis, se ha profundizado en el estudio de microorganismos que exhiban propiedades de interés en el sector cosmético mediante el uso de técnicas -ómicas y pruebas enzimáticas. A partir de una colección de más de 3000 microorganismos, caracterizada previamente a través de técnicas dependientes de cultivo (MALDI-TOF MS y secuenciación del gen ribosomal 16S), se seleccionaron cinco aislados que demostraron propiedades antioxidantes y despigmentantes de acuerdo a los ensayos enzimáticos, respaldado también por análisis genómicos y metabolómicos. Durante la bioprospección de estos cinco aislados, se detectaron genes y reguladores transcripcionales como respuesta al estrés oxidativo y fotoquímico, así como metabolitos con capacidad antioxidante. Asimismo, el enfoque genómico y metabolómico también determinó la capacidad de estos aislados para codificar y sintetizar moléculas moduladoras de la melanogénesis, actuando sobre la actividad de la enzima tirosinasa. Además, se identificaron metabolitos con aplicaciones cosméticas tales como compuestos antiacné o promotores de la síntesis del colágeno y la cicatrización cutánea. Incluso, estos aislados podrían ser útiles en otros campos, como la biorremediación, al detectarse en su contenido génico vías de degradación de hidrocarburos aromáticos. En conjunto, estos hallazgos demostraron el valor de las cepas analizadas y su potencial como fuente para la producción de activos con efectos antienvejecimiento y blanqueadores de piel. La secuenciación del genoma condujo también la identificación taxonómica de los cinco aislados, permitiendo clasificar formalmente tres nuevas especies del género Alteromonas y una de género Hydrotalea. En el primer caso, además de la descripción taxonómica, se propuso también la inclusión del género Salinimonas dentro de Alteromonas, de acuerdo a las evidencias filogenéticas, genómicas y fenotípicas. Es destacable que uno de los nuevos linajes descritos, Alteromonas lipotrueae, se utiliza actualmente en el sector cosmético como productor de un activo antienvejecimiento, mostrando cómo la bioprospección microbiana puede llevar a la obtención de nuevos compuestos comerciales. Respecto a la descripción taxonómica de Hydrotalea, aunque se realizó con un único aislado, se complementó con análisis metagenómicos que confirmaron la capacidad de este género para ocupar diferentes nichos. Este estudio proporcionó un contexto ecológico para su caracterización y reveló, a su vez, aspectos ecológicos importantes sobre acuíferos y entornos subterráneos, como la predominancia del grupo Pseudomonadota en su comunidad microbiana y la coexistencia de metabolismos heterótrofos y quimiolitotrofos. Al mismo tiempo, se destacó la relevancia de los taxones no cultivados, clasificando dos nuevas especies y otras cuatro categorías taxonómicas superiores según las reglas del SeqCode. En el análisis comparativo del género Hydrotalea se demostró la distribución global de la nueva especie descrita, constatando su versatilidad ambiental, al detectar su presencia en metagenomas de diversos entornos. Además, este linaje presentó algunas particularidades genómicas, como sistemas CRISPR-Cas y de resistencia a metales pesados, lo que les conferiría ventajas ecológicas para sobrevivir en sus ambientes de origen.

[cat] Davant la creixent demanda de recursos naturals i innovadors en la indústria biotecnològica, la bioprospecció emergeix com una eina prometedora per a l'aïllament de microorganismes i molècules amb aplicació en el camp de la biotecnologia. En els últims anys, s'han desenvolupat i perfeccionat mètodes per a la cerca de noves fonts de compostos bioactius. En aquesta tesi, s'ha aprofundit en l'estudi de microorganismes que exhibeixin propietats d'interès en el sector cosmètic a partir de l'ús de tècniques -òmiques i proves enzimàtiques. A partir d'una col·lecció de més de 3000 microorganismes, caracteritzada prèviament mitjançant tècniques dependents de cultiu (MALDI-TOF MS i seqüenciació del gen ribosomal 16S), es van seleccionar cinc aïllats que van demostrar propietats antioxidants i despigmentants d'acord amb els assajos enzimàtics, confirmat també per anàlisis genòmiques i metabolòmiques. Durant el procés de bioprospecció d'aquests cinc aïllats, es van detectar gens i reguladors transcripcionals com a resposta a l'estrès oxidatiu i fotoquímic, així com metabòlits amb capacitat antioxidant. Així mateix, l'enfocament genòmic i metabolòmic també va determinar la capacitat d'aquests aïllats per a codificar i sintetitzar molècules moduladores de la melanogènesi, actuant sobre l'activitat de l'enzim tirosinasa. A més, es van identificar metabòlits amb aplicacions cosmètiques com ara composts contra l’acne o promotors de la síntesi del col·lagen i la cicatrització cutània. Fins i tot, aquests aïllats podrien ser útils en altres camps, com la bioremediació, ja que alguns d’ells tenien presents vies de degradació d'hidrocarburs aromàtics. En conjunt, aquestes troballes van demostrar el valor de les soques analitzades i el seu potencial com a font per a la producció d'actius amb efectes antienvelliment i blanquejadors de pell. La seqüenciació del genoma va conduir també a la identificació taxonòmica dels cinc aïllats, classificant formalment tres noves espècies del gènere Alteromonas i una de gènere Hydrotalea. En el primer cas, a més de la descripció taxonòmica, es va proposar també la inclusió del gènere Salinimonas dins de Alteromonas, d'acord amb les evidències filogenètiques, genòmiques i fenotípiques. És destacable que un dels nous llinatges descrits, Alteromonas lipotrueae, s'utilitza actualment en el sector cosmètic com a productor d'un actiu antienvelliment, clar exemple de com la bioprospecció microbiana pot originar l'obtenció de nous compostos comercials. Respecte a la descripció taxonòmica de Hydrotalea, encara que es va realitzar amb un únic aïllat, es va complementar amb anàlisi metagenòmics que van confirmar la capacitat d'aquest gènere per a ocupar diferents nínxols. Aquest estudi va proporcionar un context ecològic per a la seva caracterització i va revelar també aspectes ecològics importants sobre aqüífers i entorns subterranis, com la predominança del grup Pseudomonadota i la coexistència de metabolismes heteròtrofs i quimiolitòtrofs en aquests ambients. Al mateix temps, es va destacar la rellevància dels tàxons bacterians no cultivats, classificant dues noves espècies i altres quatre categories taxonòmiques superiors segons les regles del SeqCode. En l'anàlisi comparativa del gènere Hydrotalea es va demostrar la distribució global de la nova espècie descrita, on es va constatar la seva versatilitat ambiental després de detectar la seva presència en metagenomas de diversos entorns. A més, aquest llinatge va presentar algunes particularitats genòmiques, com sistemes CRISPR-Cas i de resistència a metalls pesants, la qual cosa els conferiria avantatges ecològics per a sobreviure en els seus ambients d'origen.

[eng] Given the high demand for natural and innovative resources in the biotechnology industry, bioprospecting emerges as a promising tool for isolating microorganisms and molecules with applications in biotechnology. In recent years, different methods and approaches have been developed for discovering new sources of bioactive compounds. In this thesis, we focused on the study of microorganisms with relevant properties to the cosmetic sector using advanced -omics techniques and enzymatic assays. From a collection of more than 3000 microorganisms, previously characterized using culture-dependent techniques (MALDI-TOF MS and 16S rRNA gene sequencing), five isolates were selected based on their antioxidant and depigmenting properties as validated by enzymatic assays and further supported by genomic and metabolomic analyses. During the bioprospecting process, several genes and transcriptional regulators involve in the response against the oxidative and photochemical stress were identified, as well as metabolites with antioxidant capabilities. Additionally, genomic and metabolomic approaches revealed the ability of this isolates to encode and synthetize molecules that modulate melanogenesis and tyrosinase activity. Metabolites with cosmetic applications were also identified, such as anti-acne compounds or enhancer of collagen synthesis and skin healing. These isolates may also be useful in other fields, such as bioremediation, as shown by the detection of aromatic hydrocarbon degradation pathways in their genetic repertoire. Taken together, these findings evidenced the value of the analyzed strains and their potential as sources for the production of anti-aging and skin-whitening compounds. The taxonomic identification of the five isolates allowed the formal classification of three new species within the genus Alteromonas and one within Hydrotalea genus. In the former case, in addition of taxonomic descriptions, the inclusion of Salinimonas within the Alteromonas genus was proposed on the basis of phylogenetic, genomic and phenotypic evidence. Notably, one of the newly described lineages, Alteromonas lipotrueae, is currently used in the cosmetic sector as a producer of an anti-aging active ingredient, illustrating how microbial bioprospecting can lead to novel commercial compounds. The taxonomic description of Hydrotalea, although carried out with a single isolate, was complemented by metagenomic analyses confirming the ability of this genus to occupy different niches. This study provided an ecological context for the characterization and revealed important ecological aspects of aquifers and subsurface environments, such as the predominance of the Pseudomonadota group in the microbial community and the coexistence of heterotrophic and chemolithotrophic metabolisms. Additionally, the relevance of uncultivated taxa was highlighted, resulting in the classification of two new species and four higher taxonomic categories following the rules of SeqCode. Comparative genome analysis of the genus Hydrotalea demonstrated the global distribution of the newly described species, confirming its environmental versatility by detecting their presence in metagenomes from different environments. Furthermore, this lineage exhibited distinct genomic features, such as CRISPR-Cas systems and heavy metal resistance, conferring ecological advantages for survival in their native habitats.