Understanding the aromatic hydrocarbon degradation potential of pseudomonas stutzeri: a proteo-genomic approach

Abstract

[eng] - Introduction: Pseudomonas stutzeri is a Gammaproteobacteria which is present in a wide range of environments due to its metabolic versatility. P. stutzeri strains define a coherent species, whose strains have been grouped into different genomovars according to DNA-DNA hybridizations, MLSA, siderotyping, whole-cell MALDI-TOF mass spectrometry, and ANIb studies, but any whole genome comparison has been performed. This species has been extensively studied for its ability to degrade aromatic compounds. Naphthalene, phenanthrene, and β-ketoadipate degradation pathways (in strains AN10, P16, and A1501 respectively) are the aromatic hydrocarbon degradation pathways most extensively studied in P. stutzeri species. However, accessory proteins involved in the metabolisms mentioned above have not been described yet. Therefore, in the present study we analyzed the genomes of 18 P. stutzeri strains as well as P. balearica SP1402T in order to (1) confirm the coherence of P. stutzeri species and its structure into genomovars; and (2) establish the aromatic hydrocarbon degradation potential of P. stutzeri species. - Contingut i conclusió de la investigació: We used three phylogenomic approaches (number of shared COGs between genomes, phylogenomic reconstruction calculated with CDSs conserved in all strains, and ANIb values) to analyze the genomic structure of the species. The results obtained contradict the current structure of P. stutzeri species, and showed that only strains from genomovar 1 constituted a coherent group. Therefore, we believe that a more exhaustive taxonomic study of these strains is required. The core-proteome of P. stutzeri, defined as 2,094 COGs, was lower than the described for other Pseudomonas species, suggesting that P. stutzeri is genetically more diverse than other species of this genus. Genomic analysis of 19 P. stutzeri and P. balearica strains also showed the potential of these strains to use a wide range of aromatic hydrocarbon as carbon sources (catechol, protocatechuate, homogentisate, homoprotocatechuate, 4-hydroxyphenylpyruvate, 4-hydroxybenzoate, salicylate, benzoate, carbazole, phenol, and naphthalene). Focusing on naphthalene degradation as a model, we analyzed the changes in the proteomes of five P. stutzeri and P. balearica strains growing with succinate, succinate with a salicylate pulse, or naphthalene as carbon source. As expected, the previously described naphthalene degradation proteins were over-expressed in naphthalene compared to succinate proteomes. Additionally, their over-expression in salicylate pulse cultures confirmed the induction of these genes by salicylate. Results allowed us to suggest the role of two other proteins (NahX and NahZ) in naphthalene degradation. The over-expression of 14 different transport systems suggests that they might be involved in naphthalene metabolism. Finally, we demonstrated that despite P. stutzeri AN10 was previously described as a non-degrading benzoate strain, it presents the potential to grow with benzoate as carbon source, since we could select an AN10 (P. stutzeri BZ4D) derivative able to grow on this compound as sole carbon and energy source. Genomic and proteomic comparisons of AN10 and BZ4D revealed that mutations in benR and catA genes were essential for the acquisition of the BZ4D benzoate degradation ability.

[spa] - Introducció: Pseudomonas stutzeri es una Gammaproteobacteria presente en un amplio rango de ambientes gracias a su versatilidad metabólica. Las cepas de P. stutzeri constituyen una especie coherente, y han sido tradicionalmente agrupadas en genomovares en función de hibridaciones ADN-ADN, MLSA, siderotipado, espectrometría de masas de células enteras por MALDI-TOF, y ANIb. A pesar de ello, no han sido objeto de ningún estudio genómico comparativo completo. Esta especie ha sido ampliamente estudiada por su capacidad de degradar compuestos aromáticos. En este sentido, la vía de degradación de naftaleno, fenantreno, y β-ketoadipato (en las cepas AN10, P16, y A1501 respectivamente) son las vías de degradación de compuestos aromáticos más estudiadas de la especie P. stutzeri. Sin embargo, todavía no se han descrito proteínas accesorias involucradas en el metabolismo de estos compuestos. En el presente estudio se han analizado los genomas de 18 cepas de P. stutzeri así como P. balearica SP1402T con el objetivo de (1) confirmar la coherencia de la especie P. stutzeri y su estructura en genomovares; y (2) establecer el potencial de esta especie para degradar compuestos aromáticos. - Contenido y conclusión de la investigación: Para analizar la estructura genómica de esta especie se han utilizado tres aproximaciones filogenómicas distintas: número de COGs compartidos, reconstrucción filogenómica calculada con las CDSs conservadas en todas las cepas y valores de ANIb. Los resultados obtenidos contradicen la estructura de la especie P. stutzeri, dado que sólo las cepas de la genomovar 1 forman un grupo coherente, lo que sugiere la necesidad de abordar un análisis taxonómico más exhaustivo de las otras cepas estudiadas. El core-proteoma de P. stutzeri, definido en 2094 COGs, es inferior al descrito para otras especies del género Pseudomonas, lo que sugiere que P. stutzeri presenta una mayor diversidad genética que las otras especies de su género. El análisis genómico de las 19 cepas de P. stutzeri y P. balearica ha puesto de manifiesto el potencial catabólico de estas cepas para degradar un amplio rango de compuestos aromáticos (catecol, protocatecuato, homogentisato, homoprotocatecuato, 4-hidroxifenilpiruvato, 4-hidroxibenzoato, salicilato, benzoato, carbazol, fenol, y naftaleno). Centrándonos en la degradación de naftaleno como modelo, se han analizado los cambios en el proteoma de cinco cepas de P. stutzeri y P. balearica creciendo con succinato, succinato con un pulso de salicilato, o naftaleno como fuente de carbono. Como se esperaba, las proteínas de degradación de naftaleno previamente descritas fueron sobreexpresadas en los cultivos con naftaleno. Además, la sobreexpresión de estas proteínas en los cultivos tratados con un pulso de salicilato confirmó la inducción de estos genes por salicilato. Los resultados nos permitieron sugerir el rol de otras dos proteínas (NahX y NahZ) en la degradación de naftaleno. La sobreexpresión de 14 sistemas de transporte diferentes sugiere que estos también podrían estar involucrados en el metabolismo del naftaleno. Finalmente, se ha demostrado que, a pesar de ser descrita como una cepa no degradadora de benzoato, P. stutzeri AN10 tiene el potencial de utilizar benzoato como fuente de carbono, ya que hemos podido seleccionar un derivado de AN10 (P. stutzeri BZ4D) capaz de crecer con benzoato como única fuente de carbono y energía. La comparación genómica y proteómica de ambas cepas han revelado que sendas mutaciones en los genes benR y catA han sido esenciales para la capacidad de degradar benzoato adquirida por BZ4D.

[cat] - Introducció: Pseudomonas stutzeri és una Gammaproteobacteria present en un ampli rang d'ambients gràcies a la seva versatilitat metabòlica. Les soques de P. stutzeri constitueixen una espècie coherent, i han estat tradicionalment agrupades en genomovars en funció d'hibridacions ADN-ADN, MLSA, siderotipat, espectrometria de masses de cèl•lules per MALDI-TOF, i ANIb, però no s'ha realitzat cap estudi genòmic comparatiu complet. Aquesta espècie ha estat àmpliament estudiada per la seva capacitat de degradar compostos aromàtics. En aquest sentit, la via de degradació de naftalè, fenantrè, i β-ketoadipat (del les soques AN10, P16, i A1501 respectivament) són les vies de degradació de composts aromàtics més ben estudiades de l’espècie P. stutzeri. Però, encara no s'han descrit proteïnes accessòries involucrades en el metabolisme d’aquests composts. En el present estudi s'han analitzat els genomes de 18 soques de P. stutzeri així com també P. balearica SP1402T amb l’objectiu de (1) confirmar la coherència de l’espècie P. stutzeri i la seva estructura en genomovars; i (2) definir el potencial d’aquesta espècie per degradar composts aromàtics. - Contingut i conclusió de la investigació: Per analitzar l’estructura genòmica d’aquesta espècie s’han emprat tres aproximacions filogenòmiques (nombre de COGS compartits, reconstrucció filogenòmica calculada amb les CDSs conservades a totes les soques, i valors de ANIb). Els resultats obtinguts contradiuen l'estructura de l’ espècie P. stutzeri. Donat que només les soques de la genomovar 1 formen un grup coherent, el que suggereix la necessitat d’abordar una anàlisi taxonòmica més exhaustiva de les altres soques estudiades. El core-proteoma de P. stutzeri, definit en 2094 COGS, és inferior al descrit per altres espècies del gènere Pseudomonas, el que suggereix que P. stutzeri presenta una major diversitat genètica que altres espècies del seu gènere. L’ anàlisi genòmica de les 19 soques de P. stutzeri i P. balearica ha posat de manifest el potencial catabòlic d'aquestes soques per degradar un ampli rang de compostos aromàtics (catecol, protocatecuat, homogentisat, homoprotocatecuat, 4-hidroxifenilpiruvat, 4-hidroxibenzoat, salicilat, benzoat, carbazol, fenol, i naftalè). Centrant-nos en la degradació de naftalè com a model, es van analitzar els canvis en el proteoma de cinc soques de P. stutzeri i P. balearica creixent amb succinat, succinat amb un pols de salicilat, o naftalè com a font de carboni. Com s'esperava, les proteïnes de degradació de naftalè prèviament descrites van ser sobreexpressades en els cultius amb naftalè. A més, la sobreexpressió d'aquestes proteïnes en els cultius amb un pols de salicilat va confirmar la inducció d'aquests gens per salicilat. Els resultats ens van permetre suggerir el paper de dues proteïnes (NahX i NahZ) en la degradació de naftalè. La sobreexpressió de 14 sistemes de transport diferents suggereix que aquests també podrien estar involucrats en el metabolisme del naftalè. Finalment, s'ha demostrat que, malgrat haver estat descrita com una soca no degradadora de benzoat, P. stutzeri AN10 té el potencial d'utilitzar benzoat com a font de carboni, ja que hem pogut seleccionar un derivat d’AN10 (P. stutzeri BZ4D) capaç de créixer amb benzoat com a única font de carboni i energia. La comparació genòmica i proteòmica d’ambdues soques ha revelat que mutacions en els gens benR i catA han estat essencials per la adquisició de la capacitat de degradar benzoat de BZ4D.