Esencialidad y conservación genómica en el superfilo PVC

Abstract

El superfilo PVC agrupa filos bacterianos como Planctomycetota, Chlamydiota y Verrucomicrobiota, junto con otros menos caracterizados como Kiritimatiellota y Lentisphaeraeota, entre otros. Esta agrupación pertenece al clado Gracilicutes, caracterizado por ser bacterias didermas que presentan una doble membrana y una delgada capa de peptidoglicano, diferenciándose de las Terrabacteria, que incluyen bacterias monodermas con una gruesa capa de peptidoglicano.

A pesar de poseer un origen evolutivo común, los miembros del superfilo PVC destacan por su diversidad ecológica y biológica. Colonizan una amplia variedad de hábitats, desde ecosistemas acuáticos y terrestres hasta ambientes extremos, como zonas geotérmicas y anóxicas, e incluso algunos son importantes agentes patógenos. A nivel celular, los organismos del superfilo PVC presentan características únicas que los diferencian del resto de las bacterias y los hacen especialmente interesantes desde un punto de vista evolutivo. Uno de los ejemplos más destacados es la pérdida de la proteína FtsZ en filos como Planctomycetota y Chlamydiota. FtsZ es considerada una proteína universalmente conservada en bacterias, responsable de formar el anillo Z durante la fisión binaria, un proceso clave en la división celular. Su ausencia en estos filos implica que han desarrollado mecanismos alternativos para dividirse, como la gemación observada en algunos miembros de Planctomycetota y en Chlamydiota, cuyos mecanismos moleculares siguen siendo desconocidos. En Planctomycetota, la composición de su pared celular y el tipo de plan celular han sido también objeto de controversia. Desde sus primeros aislamientos se apuntaba a un plan celular diferente al de bacterias didermas, con una pared celular proteica y un alto grado de desarrollo de sus sistemas de endomembranas. Si bien actual-mente se asume que los miembros del superfilo PVC poseen la arquitectura típica de bacterias didermas -con una membrana interna, una delgada capa de peptidoglicano y una membrana externa-, muchos miembros de Planctomycetota han perdido parcial o completamente los genes para la síntesis de peptidoglicano, siendo una incógnita si estos poseen peptidoglicano, y cómo lo sintetizarían en ese caso. Aunque existen trabajos que tratan de poner fin a esta controversia, aún no existe un consenso. Los elementos genéticos detrás de estas y otras características también fascinantes encontradas en Planctomycetota, como la capacidad de llevar a cabo procesos de endocitosis y fagocitosis, son aún desconocidos.

Para profundizar en el conocimiento funcional del superfilo PVC, se aplicó la técnica Transposon-Directed Insertion Site Sequencing (TraDIS) en Planctopirus limnophila y Verrucomicrobium spinosum, permitiendo identificar genes esenciales y comprender sus contribuciones a la biología celular única del superfilo.

En concreto, encontramos que todos los genes de división y síntesis de peptidoglicano están conservados y son esenciales en V. spinosum. En cambio, en P. limnophila, observamos que muchos de los genes de división se han perdido y que los relacionados con la síntesis de peptidoglicano, pese a estar estos conservados, han perdido su esencialidad. Un análisis más detallado de la conservación de estos genes de división y síntesis de peptidoglicano dentro del superfilo PVC, muestra que dentro de Planctomycetota existe un patrón desigual de pérdida. Solo el orden Planctomycetales, al que pertenece P. limnophila, conserva estos genes, pero de manera no esencial, lo que refleja una transición en la evolución de estos sistemas dentro del superfilo PVC.

Este enfoque se complementó con el desarrollo de un método para el análisis de enriquecimiento de grupos de ortología mediante un test hipergeométrico, que permite una exploración a larga escala de la presencia o ausencia de funciones de manera automatizada. Esta metodología nos permitió encontrar los grupos de ortólogos sobrerrepresentados y subrepresentados en el superfilo PVC. Estos datos, combinados con la esencialidad, nos permitieron acotar cuales son los posibles responsables de esta nueva biología encontrada dentro del superfilo PVC para estudios posteriores. Además, el uso de herramientas basadas en estructu-ras nos permitió predecir in silico algunas de las funciones de estos grupos de ortología, poniendo de manifiesto la importancia que este nuevo tipo de tecnologías tiene para un análisis más completo de los miembros del superfilo PVC, así como de otros grupos.