RESUMEN DE LA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

La síntesis y acumulación de triacilglicéridos (TAG) es un proceso común en las bacterias del género Rhodococcus. Algunas cepas como Rhodococcus opacus PD630 y Rhodococcus jostii RHA1 son capaces de producir grandes cantidades de TAG (mayor al 20% en peso seco) a partir de diferentes fuentes de carbono, por lo que pueden ser consideradas bacterias oleaginosas. La capacidad de estos microorganismos para sintetizar y acumular cantidades significativas de lípidos requiere de la presencia de una red metabólica particular que involucra una diversidad de reacciones y rutas, así como la existencia de circuitos regulatorios eficientes para el control de las funciones celulares y la apropiada distribución de los intermediarios metabólicos en la célula. Por lo tanto, uno de los principales objetivos de nuestra línea de investigación es dilucidar los componentes de la maquinaria celular y molecular de la síntesis y acumulación de TAG en estas bacterias. De esta manera, se investigan diferentes enzimas y rutas metabólicas, proteínas de transporte de lípidos, proteínas estructurales de las inclusiones lipídicas y mecanismos de regulación a nivel transcripcional y postranscripcional, involucrados en la oleagenicidad de las bacterias de este género. Se busca que el conocimiento básico generado en la temática sirva para el desarrollo de procesos de conversión de residuos industriales en lípidos de interés comercial, como base para la generación de biocombustibles, biolubricantes y oleoquímicos. Por otro lado, se investiga el rol de los lípidos de reserva en la fisiología de los microorganismos y su adaptación a los ambientes áridos.

SUMMARY OF THE RESEARCH LINE

Triacylglycerol (TAG) accumulation is a common feature among rhodococci. Some members of this genus are able to accumulate significant amounts of TAG, such as Rhodococcus opacus PD630 and R. jostii RHA1, thus, they can be considered as oleaginous bacteria. The TAG biosynthetic machinery of oleaginous rhodococci may include enzymes involved in different reactions of metabolism, transporter proteins, structural components of lipid inclusions, and transcriptional regulators at different hierarchical levels (global and specific regulators). In general, oleagenicity might be based on the ability of cell to produce a continuous supply of acetyl-CoA and sufficient NADPH, as the necessary precursor and reductants for fatty acid biosynthesis. Moreover, cells must possess efficient mechanisms for controlling the availability of key intermediates, such as G3P, acyl-CoA’s, phosphatidic acid and DAG. Thus, oleagenicity in prokaryotes requires a special metabolic network involving concerted reactions and pathways, and a specific regulatory circuit for the fine control of cellular functions dealing with the appropriate distribution of metabolic intermediates that can result physiologically active and potentially toxic for the cell.

Our current efforts attempt to understand the physiological and molecular basis of the lipogenesis and oleagenicity in rhodococci, as well as to develop robust strains and processes to the conversion of industrial wastes into precursor oils for biofuels, biolubricants and oleochemicals.

TEMAS DE INVESTIGACIÓN

• Utilización de residuos industriales para la producción de aceites de interés biotecnológico a partir de bacterias del género Rhodococcus

Se aíslan y caracterizan cepas con capacidad de sintetizar y acumular cantidades significativas de lípidos. Se investiga la conversión de diferentes residuos agroindustriales generados en distintas regiones del país en aceites (TAG), como precursores de biocombustibles, biolubricantes o derivados oleoquímicos por medio de bacterias oleaginosas. Los estudios se enfocan en los procesos de incorporación de los residuos y sus vías de degradación y asimilación para la formación de los precursores metabólicos que serán utilizados por las rutas de producción de lípidos. Se realiza el análisis y manipulación de las vías metabólicas superiores para aumentar la eficiencia de procesamiento de carbono y el desarrollo de fenotipos más robustos con productividad de biomasa celular y aceites incrementada.

Trabajos seleccionados:

-Hernández MA, Mohn WW, Martínez E, Rost E, Alvarez AF, Alvarez HM. (2008) Biosynthesis of storage compounds by Rhodococcus jostii RHA1 and global identification of genes involved in their metabolism. BMC Genomics. 12;9(1):600.

-Silva RA, Grossi V, Olivera N, Alvarez HM (2010) Characterization of the indigenous Rhodococcus sp. 602, a strain able to accumulate triacylglycerides from naphthyl-compounds under nitrogen-starved conditions. Research in Microbiology. 161:198-207.

-Lanfranconi MP, Alvarez AF, Alvarez HM (2015) Identification of genes coding for putative wax ester synthase/diacylglycerol acyltransferase enzymes in terrestrial and marine environments. AMB Express. 2015 Dec;5(1):128.

-Herrero OM, Alvarez HM (2015) Whey as a renewable source for lipid production by Rhodococcus strains: physiology and genomics of lactose and galactose utilization. European Journal of Lipid Science and Technology. 118:262-272.

-Herrero OM, Moncalián G, Alvarez HM (2016) Physiological and genetic differences amongst Rhodococcus species for using glycerol as a source for growth and triacylglycerol production. Microbiology 162(2):384-397.

-Lanfranconi MP, Alvarez HM. (2017) Rewiring neutral lipids production for the de novo synthesis of wax esters in Rhodococcus opacus PD630. Journal of Biotechnology. 260: 67-73.

- Herrero OM, Villalba MS, Lanfranconi MP, Alvarez HM. (2018) Rhodococcus bacteria as a promising source of oils from olive mill wastes. World Journal of Microbiology and Biotechnololgy 10;34(8):114. doi: 10.1007/s11274-018-2499-3.

-Herrero OM, Alvarez HM. (2024) Fruit residues as substrates for single-cell oil production by Rhodococcus species: physiology and genomics of carbohydrate catabolism. World J Microbiol Biotechnol. 40(2):61. doi: 10.1007/s11274-023-03866-z.PMID: 38177966

• Identificación y caracterización de transportadores de lípidos y enzimas involucrados en la producción de TAG

Se buscan identificar y caracterizar los diferentes componentes involucrados en el metabolismo y homeostasis de lípidos en las bacterias oleaginosas. Los estudios incluyen  la caracterización de genes que codifican proteínas transportadoras de lípidos y enzimas del metabolismo central y de lípidos que participan en el proceso de lipogénesis. Se utilizan metodologías de estudio “omicas” para establecer un panorama integrado del proceso investigado.

Trabajos seleccionados:

-Hernández MA, Arabolaza A, Rodriguez E, Gramajo H, Alvarez HM (2013) The atf2 gene is involved in triacylglycerol biosynthesis and accumulation in the oleaginous Rhodococcus opacus PD630. Applied Microbiology and Biotechnology 97:2119-2130.

-Villalba MS, Alvarez HM (2014) Identification of a novel ATP-binding cassette transporter involved in long-chain fatty acid import and its role in triacylglycerol accumulation in Rhodococcus jostii RHA1. Microbiology. 160(7): 1523-1532.

-Hernández MA, Comba S, Arabolaza A, Gramajo H, Alvarez HM (2015) Overexpression of a phosphatidic acid phosphatase type 2 leads to an increase in triacylglycerols production in oleaginous Rhodococcus strains. Applied Microbiology and Biotechnology. 99(5):2191-2207.

- Dávila Costa JS, Herrero M, Alvarez HM, Leichert L (2015) Label-free and redox proteomic analyses of the triacylglycerol-accumulating Rhodococcus jostii RHA1. Microbiology. 161(3):593-610.

- Dávila Costa JS, Silva RA, Leichert L, Alvarez HM. (2017) Proteome analysis reveals differential expression of proteins involved in triacylglycerol accumulation by Rhodococcus jostii RHA1 after addition of methyl viologen. Microbiology. 163(3):343-354. doi: 10.1099/mic.0.000424.

- Hernández MA, Alvarez HM (2019) Increasing lipid production using an NADP+-dependent malic enzyme from Rhodococcus jostii. Microbiology. (UK)165(1):4-14. doi: 10.1099/mic.0.000736.

-Livieri, A. L., Colaccini, F., Hernández, M. A., Gago, G., Alvarez, H. M., Gramajo, H., & Rodriguez, E. (2023). Genetic analysis of acyl-CoA carboxylases involved in lipid accumulation in Rhodococcus jostii RHA1. Applied microbiology and biotechnology, 107(17), 5503–5516. https://doi.org/10.1007/s00253-023-12674-2.

• Identificación y caracterización de mecanismos de regulación del proceso de síntesis y acumulación de lípidos

Se buscan identificar y caracterizar los diferentes componentes involucrados en la regulación de la lipogénesis en estas bacterias oleaginosas, así como los circuitos regulatorios que controlan la expresión de los genes necesarios para el proceso.

Trabajos seleccionados:

-Hernández MA, Lara J, Gago G, Gramajo H, Alvarez HM (2017) The pleiotropic transcriptional regulator NlpR contributes to the modulation of nitrogen metabolism, lipogenesis and triacylglycerol accumulation in oleaginous rhodococci. Molecular Microbiology. Jan; 103(2):366-385.

- Hernández MA, Gleixner G, Sachse D, Alvarez HM (2017) Carbon Allocation in Rhodococcus jostii RHA1 in Response to Disruption and Overexpression of nlpR Regulatory Gene, Based on 13C-labeling Analysis. Frontiers in Microbiology. Oct 11;8:1992. doi: 10.3389/fmicb.2017.01992.

- Hernández MA, Ledesma AE, Moncalián G, Alvarez HM. (2024) MLDSR, the transcriptional regulator of the major lipid droplets protein MLDS, is controlled by long-chain fatty acids and contributes to the lipid-accumulating phenotype in oleaginous Rhodococcus strains. FEBS J. 2023 Dec 22. doi: 10.1111/febs.17043.

• Análisis fisiológico y evolutivo del proceso de síntesis y acumulación de lípidos en relación con la adaptación de los microorganismos a los ambientes áridos

Se busca mejorar el entendimiento del rol de estos lípidos en la biología de las bacterias  Rhodococcus en relación a su adaptación a los ambientes áridos. Por otro lado, se investigan aspectos evolutivos que dieron lugar a la configuración actual de la maquinaria de acumulación de TAG en estas bacterias.

Trabajos seleccionados:

-Bequer Urbano S, Albarracín V, Ordoñez O, Farías ME, Alvarez HM (2013) Lipid storage in High-Altitude Andean Lakes extremophiles and its mobilization under stress conditions in Rhodococcus sp. A5, a UV-resistant actinobacterium. Extremophiles. 17:217-227.

-Bequer Urbano S, Di Capua C, Cortéz N, Farías ME, Alvarez HM (2014) Triacylglycerol accumulation and oxidative stress in Rhodococcus species: differential effects of pro-oxidants on lipid metabolism. Extremophiles. 18:375-384.

-Lanfranconi MP, Alvarez HM (2016) Functional divergence of HBHA from Mycobacterium tuberculosis and its evolutionary relationship with TadA from Rhodococcus opacus. Biochimie. 127:241-248.

-Lanfranconi M, Arabolaza A, Gramajo H, Alvarez HM. (2021) Insight into the evolutionary history of the virulent factor HBHA of Mycobacterium tuberculosis. Archives of Microbiology Feb 23. doi: 10.1007/s00203-021-02192-y.

-Galván, V., Pascutti, F., Sandoval, N. E., Lanfranconi, M. P., Lozada, M., Arabolaza, A. L., … & Dionisi, H. M. (2023). High wax ester and triacylglycerol biosynthesis potential in coastal sediments of Antarctic and Subantarctic environments. Plos one, 18(7), e0288509. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0288509.