Estudio de la relación del genoma y su metabolismo para entender los procesos de infección y producción de metabolitos de Xanthomonas spp

Xantomonas es un género de bacterias gram-negativa perteneciente a las gammaproteobacterias, que se ha relacionado con más de 400 diferentes enfermedades en trigo, yuca, arroz, cítricos, tomate, pepino, y lechuga. Este género está ampliamente distribuido alrededor del mundo y produce una gran pérdida de cultivos. A la fecha, se han descrito alrededor de 35 especies subdivididas en subespecies (pv.) (Timilsina et al., 2020).

Dentro de las especies de importancia agronómica están X. campestri pv. versicatorica que causa manchas en el tomate; X. campestri pv. pelargonii causante de tizón en el geranioy X. oryzae pv. oryzae que genera el tizón de hoja en arroz, entre otros (Nakayinga et al. 2021).

Por lo tanto el estudio de este genero bacteriano tiene importancia en la producción de alimentos y en la producción de un exo-polisacárido o xantana con gran valor industrial, para lo cual el aprovechamiento de la información del genoma y la relación con su metabolismo podrían sugerir estrategias de control o mejoras en la ruta de biosíntesis de dicho exo-polisacárido (Candido da Silva et al., 2017).

Mapa comparativo de Xanthomonas spp. y modelo metabólico de X. campestris. A) Comparación de genomas de: X. campestris (genoma referencia); X. albilineans (amarillo); X. arbicola (verde); X. axonopodis (naranja); X. citri (rosa); X. orizae (azul) y X. phaseoli (verde) se presenta el % GC (rojo) y GC Skew (negro). B) Modelo metabólico de X. campestris se presentan 1558 metabolitos y 2294 reacciones, se muestran el flujo de las reacciones que van en sentido y anti sentido al punto central del mapa. C) Ruta Enter-Doudoroff mostrando el paso de beta-D-glucosa-6-fosfato que con la participación de NADPH llega hasta CoA.

El genoma de Xanthomonas spp.

En los años 2000 fueron secuenciadas las dos primeras especies de Xanthomonas y actualmente existen alrededor de 1,400 genomas de este género(Timilsina et al., 2020). Xanthomas spp tiene un genoma de ~5 Mb con un contenido de GC cercano al 60% y codifica a más de 4,000 genes. La especie X. albilineans es una excepción mostrando un tamaño de 3.5 Mb,  que se asocia con un proceso de reducción del genoma (Timilsina et al., 2020). Con los genomas descritos, se ha mostrado su gran plasticidad genómica; por ejemplo, en cepas no patógenas como X. arboricola y X. cannabis han sido identificados los genes (hrpG, hrpX, hpaS y hrpR2) que funcionan como reguladores del sistema de transporte T3SS y ortólogos de seis sistemas T3SEs, que son característicos de cepas patógenas (Timilsina et al., 2020).  En este contexto, la figura 1, muestra un mapa comparativo de especies de Xanthomonas donde se muestra el alto nivel de conservación; sin embargo, los espacios en blanco muestran diferencias entre los mismos. En la misma figura se muestra que dentro del genoma se encuentran codificados los genes responsables del metabolismo central, tales como la ruta de Enther-Doudoroff principal para la obtención de energía.

Metabolismo de Xanthomonas spp.

En de X. campestris pv. campestris  (Xpm) los azúcares como la glucosa, son la fuente carbono principal para la fermentación. El metabolismo de la glucosa se lleva acabo por dos rutas, la primera de forma directa por la fosforilación de una glucokinasa (EC 2.7.1.2) generando glucosa-6-fosfato. La segunda ruta es metabolizado vía periplásmica oxidativa que se reporta como poco utilizada. En ambas rutas, se obtiene 6-fosfogluconato, que es metabolizado por la ruta de las fosfato-pentosas o la vía Entner-Doudorff (Figura 2) (Schatschneider et al., 2014). El Glyceraldehido-3-fosfato generado por estas rutas es metabolizado via la ruta Embden-Meyerhof (ED:glicólisis). Una alternativa del 3-fosfato-gliceraldehído puede activar la vía ED entrando el ciclo de la hexosa, con lo cual se puede re-sintetizar glucosa-6-fosfato vía gluconeogénesis mediante fructosa-bifosfato-aldolasa (EC 4.1.2.13), fructosa 1,6-bisfosfatasa (EC 3.1.3.11) y glucosa 6-fosfato isomerasa (EC 5.3.1.9) (Figura 2) (Schatschneider et al., 2014).

Recientemente se han descrito para X. phaseoli pv. manihotis múltiples procesos metabólicos tienden a dar lugar  en la patogénesis y que involucra rutas de Quorum sensing, regulando algunas rutas relacionadas con virulencia, producción de enzimas extracelulares, síntesis de flagelo, así como procesos de resistencia a estrés oxidativo o toxinas (Figura 2) (Timilsina et al., 2020).

Figura 2. Efecto del sistema Quorum sensing al metabolismo de X. campestris. A) Quorum sensing en Xanthomonas spp. B) Metabolismo energético y ruta biosintética de xantana en X. campestris. M = manosa, G= glucosa, Ga= Galactosa, Py= Piruvato.

La ruta mediada por la señal del factor-difusible (DSF) esta altamente conservado en Xanthomonas y esta implicado en la regulación y secreción de factores de virulencia, donde   participan los factores RpfF, catalizando la síntesis del DSF. Estos tres genes son muy conservados y relevantes para la regulación y activación de mecanismos de patogenicidad y de sobrevivencia como respuesta a multi-fármacos, resistencia a peróxido de hidrógeno, captación de hierro, síntesis de flagelo y biosíntesis de exo-polisacáridos (Botero et al., 2020).

Actualmente la biología de sistemas permite analizar a los organismos como un todo dinámico partiendo de la información genómica que es aprovechada para el estudio de las rutas metabólicas las cuales pueden ser conservadas o haber evolucionado entre especies debido a las fuerzas evolutivas.

Modelos metabólicos del genero Xanthomonas spp.

El flujo de la información genómica desde dogma de la biología molecular describe el paso de ADN-ARN-Proteína-Metabolito. Por lo tanto, podemos considerar una relación directa entre el ADN y el metabolismo, ya que cada una de las enzimas estan codificadas en los genomas y además se pueden complementar con la evaluación de su funcionalidad a nivel de mensajero o proteína con el resultado final de la biosíntesis de metabolitos. Esta idea ha permitido a la biología de sistemas contribuir con el estudio y entendimiento de las rutas metabólicas existentes, para la funcionalidad de los organismos, utilizando la generación de modelos metabólicos. Por ejemplo, el modelo descrito por en X. campestris pv campestris donde se reporta la prevalencia de la funcionalidad de la ruta de ED para la generación de piruvato y D-gliceraldehído-3-fosfato reduciendo el flujo de la ruta de las pentosas fosfato y la glicólisis (Schatschneider et al., 2014).

Otro modelo metabólico de Xpm fue descrito utilizando información de RNA-seq de mutantes para el sistema rpfCGH de Xpm, donde se presenta las rutas del metabolismo de azucares, la relación del sistema Quorum sensing asociado directa e indirectamente a rutas metabólicas; además de la ruta biosintética de producción del Xantana (Botero et al., 2020).

En la figura 1 se presenta un modelo metabólico de X. camprestris donde se muestran las rutas metabólicas en sentido al centro del modelo (azul) y en contra del mismo (rojo). En esta misma figura el modelo metabólico predice 1558 metabolitos y 2294 reacciones, además realizamos un acercamiento (panel C) al modelo metabólico para ejemplificar la red de reacciones mostrando los pasos de beta-D-glucosa-6-fosfato hasta CoA (Moretti et al., 2021).

Otra ruta presente en Xanthomonas es la ruta biosintética de xantana involucra la familia de enzimas Gum, las cuales desarrollan el proceso de síntesis de modificaciones para la síntesis del polisacárido, la etapa I) es la captación de nutriente (glucosa), que será metabolizada por la ruta convencional de glucólisis pero en mayor proporción por la ruta de ED, para en la etapa II) la glucosa es transformada en derivados de nucleótidos, III) en esta etapa se ensamblan las subunidades de oligosacáridos, son madurados, conformados de poliprenol dos fosfatos y polisacáridos; y la etapa IV) son transportados a la membrana  y después es secretado (Figura 2B) (Candido da Silva et al., 2017).

Las reacciones enzimáticas son llevas a cabo por GumD que cataliza la transferencia de glucosil-1-fostado; GumM, GumH, GumK y Guml dan las unidades repetidas de la secuencia de pentasacáridos. GumL que transfiere grupos de piruvato, GumF y GumG son acetiltransferasas agregan grupos acetil a los elementos de manosa (M) (Figura 2B). GumJ transloca los residuos de de polisacáridos ensamblados a la región periplásmica de la membrana. GumE cataliza la polimerización catalizado por GumB y GumC llevando a los polisacáridos a ser expuestos al exterior de la célula (Figura 2B) (Candido da Silva et al., 2017).

            En resumen la información genómica es la base de la construcción de modelos metabólicos que permiten predecir las rutas metabólicas existentes en los organismos a nivel de reacciones, enzimas y metabolitos. Con base en esta información se pueden evaluar, eventos de pérdida o ganancia de genes o rutas metabólicas, para hacer propuestas de mejoramientos en la síntesis de un metabolito de interés,  y para proponer nuevas estrategias para el control, como es el caso de Xanthomonas.

Referencias asociadas

Botero, D., et al (2020). Frontiers in Genetics, 11, 837.

Candido da Silva, L. C., et al. (2017). Chapter 13 – Xanthan: Biotechnological Production and Applications. En A. M. Holban & A. M. Grumezescu (Eds.), Microbial Production of Food Ingredients and Additives (pp. 385-422). Academic Press.

Hari, A., & Lobo, D. (2020). Nucleic Acids Research, 48(W1), W427-W435.

Moretti, S., et al. (2021). Nucleic Acids Research, 49(D1), D570-D574.

Nakayinga, R., et al. (2021). BMC Microbiology, 21(1), 291.

Schatschneider, S., et al. (2014). Molecular BioSystems, 10(10), 2663-2676.

Timilsina, S., et al. (2020). Nature Reviews Microbiology, 18(8), 415-427.