Thesis:

Reconstrucción metabólica de compuestos aromáticos y estrés oxidativo generado durante la degradación de bifenilo en Burkholderia xenovorans LB400 y sus potenciales aplicaciones biotecnológicas

Burkholderia xenovorans LB400 es una bacteria modelo para los estudios de biodegradación de compuestos aromáticos policlorobifenilos (PCBs). En esta tesis se planteó la hipótesis de que B. xenovorans LB400 posee una versatilidad catabólica excepcional hacia compuestos aromáticos y que, dado que el catabolismo de estos compuestos genera estrés oxidativo, la sobreexpresión de genes que codifican proteínas de defensa frente a este estrés permitiría aumentar su tolerancia. A partir de la secuenciación del genoma de la cepa LB400, se propuso como primer objetivo la reconstrucción del metabolismo de compuestos aromáticos para constatar su versatilidad catabólica. Como segundo objetivo, se estudió la respuesta de B. xenovorans LB400 frente al compuesto aromático modelo bifenilo y la sobreexpresión de genes de defensa al estrés oxidativo para incrementar su tolerancia. El análisis bioinformático permitió identificar cinco rutas metabólicas centrales y cinco rutas periféricas de degradación de compuestos aromáticos, confirmando la amplia capacidad catabólica de B. xenovorans LB400, lo que la convierte en un buen candidato para aplicaciones biotecnológicas y de biorremediación. Además, en colaboración con otros investigadores, se desarrolló una aplicación bioinformática denominada GeXpert, que optimizó el rendimiento en análisis genómicos. Se evaluó el efecto del bifenilo sobre la cepa LB400, observándose una menor velocidad de crecimiento en comparación con glucosa, afectación de la viabilidad celular y aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS). Los estudios proteómicos evidenciaron condiciones de estrés oxidativo y permitieron identificar genes candidatos de defensa (ahpCF, sodB y oxyR). Mediante biología molecular se generaron cepas recombinantes que sobreexpresan estos genes, mostrando una mayor biomasa y tolerancia frente a peróxido de hidrógeno (oxyR) y una reducción del superóxido intracelular (sodB). El análisis proteómico de las cepas recombinantes en presencia de bifenilo mostró la inducción de enzimas clave en la degradación de bifenilo (catecol-1,2-dioxigenasa y alquil hidroperóxido reductasa) y la represión de proteínas del metabolismo energético y del transporte de carbohidratos. Esta tesis constituye una primera aproximación al estudio de cepas recombinantes de B. xenovorans LB400 con mayor tolerancia al estrés oxidativo. La reconstrucción metabólica de compuestos aromáticos amplía las oportunidades para el desarrollo de aplicaciones biotecnológicas y estrategias más eficientes de biorremediación y biotransformación.

Burkholderia xenovorans LB400 is a model bacterium for the study of the biodegradation of aromatic compounds such as polychlorinated biphenyls (PCBs). This thesis proposed the hypothesis that B. xenovorans LB400 possesses exceptional catabolic versatility toward aromatic compounds and that, since their catabolism generates oxidative stress, overexpression of genes encoding oxidative stress defense proteins would enhance bacterial tolerance. Based on the genomic sequence of strain LB400, the first objective was to reconstruct its aromatic compound metabolism to confirm its catabolic versatility. The second objective was to study the bacterial response to the model aromatic compound biphenyl and to overexpress oxidative stress defense genes to increase tolerance. Bioinformatic analysis identified five central and five peripheral pathways for aromatic compound degradation, confirming the extensive metabolic versatility of B. xenovorans LB400, making it a promising candidate for genetic engineering, biotechnological applications, and bioremediation. Additionally, in collaboration with other researchers, a bioinformatic tool named GeXpert was developed to improve genomic data analysis performance. Exposure to biphenyl resulted in slower growth compared to glucose, decreased cell viability, and increased reactive oxygen species (ROS). Proteomic studies revealed oxidative stress conditions and led to the identification of candidate defense genes (ahpCF, sodB, and oxyR). Recombinant strains overexpressing these genes showed increased biomass and tolerance to hydrogen peroxide (oxyR) and reduced intracellular superoxide (sodB). Proteomic analysis of recombinant strains during biphenyl growth showed the induction of key enzymes involved in biphenyl degradation (catechol-1,2-dioxygenase and alkyl hydroperoxide reductase) and the repression of proteins related to energy metabolism and carbohydrate transport. This thesis provides a first approach to studying recombinant B. xenovorans LB400 strains with enhanced oxidative stress tolerance. The metabolic reconstruction of aromatic compound degradation broadens opportunities for developing efficient biotechnological, bioremediation, and biotransformation strategies.