Synechocystis

Synechocystis sp. PCC6803
Taxonomía
Dominio: Bacteria
Filo: Cyanobacteriota
Orden: Chroococcales
Género: Synechocystis
Especie: S. sp. PCC6803
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Synechocystis es un género de cianobacterias de agua dulce, representado principalmente por la cepa Synechocystis sp. PCC6803. Synechocystis sp. PCC6803 es capaz de crecer tanto en condiciones de luminosidad, realizando la fotosíntesis oxigénica (fototrofia), como en oscuridad, mediante glucólisis y fosforilación oxidativa (heterotrofia).[1]​ La expresión genética está regulada por un reloj circadiano, por lo que el organismo puede anticipar eficazmente las transiciones entre las fases de luz y oscuridad.[2]​

Historia evolutiva

Las cianobacterias son unos procariontes fotosintéticos que han existido en la tierra desde hace 2700 millones de años aproximadamente. La capacidad de las cianobacterias para producir oxígeno fue la causa de la Gran Oxidación.[3]​ Las cianobacterias han colonizado una amplia diversidad de hábitats, incluyendo ecosistemas de agua dulce y salada, y la mayoría de los ambientes terrestres.[4]​ Filogenéticamente, Synechocystis se ramifica del árbol evolutivo de las cianobacterias a partir de la raíz ancestral (Gloeobacter violaceus).[5]​ Synechocystis, que no es diazótrofo, está íntimamente relacionado con otro organismo modelo, Cyanothece ATCC 51442, que sí lo es.[6]​ Por tanto, se ha propuesto que originalmente Synechocystis poseía la habilidad de fijar nitrógeno atmosférico, pero perdió los genes requeridos para el proceso.[7]​

Crecimiento y uso como organismo modelo

Las cianobacterias son organismos modelo utilizados en el estudio de la fotosíntesis, de la asimilación de carbono y nitrógeno, de la evolución de los plastos vegetales y de la adaptabilidad al estrés del entorno. Synechocystis sp. PCC6803 es uno de los tipos de cianobacterias más estudiados pues puede crecer tanto autotrófica como heterotróficamente, si no se dan condiciones de luminosidad. Fue aislada del agua dulce de un lago en 1968 y su temperatura óptima de crecimiento se sitúa entre los 32 y los 38 °C.[8]​

Synechocystis sp. PCC6803 puede tomar fácilmente ADN exógeno, via electroporación, transformación ultrasónica y conjugación.[9]​ El sistema fotosintético es muy similar al encontrado en las plantas terrestres. Los organismos de este género, además, exhiben movimiento fototáctico.

Synechocystis sp. PCC6803 puede crecer tanto en placas de agar como en cultivo líquido. El medio de cultivo más ampliamente utilizado es una solución salina BG-11.[10]​ ElpH ideal se sitúa entre 7 y 8.5.[1]​ Una intensidad luminosa de 50 μmol photons m−2 s−1 resulta en un mejor crecimiento.[1]​ El burbujeo del medio con aire enriquecido con dióxido de carbono (1–2% CO2) puede aumentar la tasa de crecimiento, pero requiere tamponamiento adicional a fin de mantener el pH.[1]​

Normalmente la selección de las especies de Synechocystis se efectúa empleando la resistencia a antibióticos como factor diferencial. Heidorn et al. determinaron experimentalmente en 2011 las concentraciones ideales de kanamicina, espectinomicina, estreptomicina, cloranfenicol, eritromicina, ygentamicina para la cepaSynechocystis sp. PCC6803.[1]​ Los cultivos pueden ser mantenidos en placas de agar durante dos semanas aproximadamente, y siendo resembrados, ser mantenidos indefinidamente.[10]​ Para el almacenaje a largo plazo, el cultivo líquido de células debe mantenerse en una solución de glicerol al 15% a -80 °C.[10]​

Genoma

El genoma de Synechocystis sp. PCC6803 está contenido en 12 copias de un solo cromosoma (3.57 megabases); tres plásmidos pequeños: pCC5.2 (5.2 kb) pCA2.4 (2.4 kb), y pCB2.4 (2.4 kb); y cuatro plásmidos grandes: pSYSM (120 kb), pSYSX (106 kb), pSYSA (103kb), y pSYSG (44 kb).[11]​[12]​

Cepas adicionales

La cepa principal de Synechocystis sp. es PCC6803. Se han creado modificaciones de la cepa PCC6803 original, como una subcepa carente del fotosistema 1 (PSI).[13]​ Otra sub-cepa ampliamente utilizada de Synechocystis sp. es ATCC 27184, tolerante a la glucosa, puesto que PCC6803 no puede utilizar la glucosa del medio.[14]​

Heterotrofía dependiente de luz

La subcepa ATCC 27184 de Synechocystis sp. PCC6803, puede vivir heterotróficamente en condiciones de oscuridad utilizando la glucosa como fuente de carbono, pero por razones aún desconocidas requiere un mínimo de 5-15 minutos de luz azul al día. Este mecanismo regulador de la luz se mantiene inalterado en los mutantes sin PSI y PSII.[15]​

Algunos genes glucolíticos están regulados por el gen sll1330 en medios luminosos y con glucosa. Uno de los genes más importantes de la glucólisis es el de la fructosa-1,6-bifosfato aldolasa (fbaA). Los niveles de ARNm de fbaA se incrementan en condiciones de luminosidad y suplementación de glucosa.[16]​

Sistema CRISPR-Cas nativo

El sistema CRISPR-Cas provee de inmunidad adaptativa a bacterias y arqueas. Synechocystis sp. PCC6803 contiene tres sistemas CRISPR-Cas diferentes: el tipo I-D, y dos versiones del tipo III. Todos estos sistemas se encuentran en el plásmido pSYSA. Las cianobacterias en su totalidad, carecen del sistema de tipo II (el cual ha sido recientemente adaptado como herramienta de ingeniería genética.[17]​


Referencias

  1. ↑ a b c d e Heidorn, T.; Camsund, D.; Huang, H.; Lindberg, P.; Oliveria, P.; Stensjo, K.; Lindblad, P. (2011). «Chapter Twenty-Four - Synthetic Biology in Cyanobacteria: Engineering and Analyzing Novel Functions». Methods in Enzymology (Academic Press) 497: 539-579. doi:10.1016/B978-0-12-385075-1.00024-X. 
  2. ↑ Dong, Guogang; Golden, Susan S (diciembre de 2008). «How a cyanobacterium tells time». Current Opinion in Microbiology 11 (6): 541-546. PMC 2692899. PMID 18983934. doi:10.1016/j.mib.2008.10.003. 
  3. ↑ Wang, M.; Jiang, Y.-Y.; Kim, K. M.; Qu, G.; Ji, H.-F.; Mittenthal, J. E.; Zhang, H.-Y.; Caetano-Anolles, G. (30 de agosto de 2010). «A Universal Molecular Clock of Protein Folds and Its Power in Tracing the Early History of Aerobic Metabolism and Planet Oxygenation». Molecular Biology and Evolution 28 (1): 567-582. doi:10.1093/molbev/msq232. 
  4. ↑ Whitton, B.A.; Potts, M. (2012). Ecology of Cyanobacteria II. pp. 1-13. 
  5. ↑ Shih, P. M.; Wu, D.; Latifi, A.; Axen, S. D.; Fewer, D. P.; Talla, E.; Calteau, A.; Cai, F.; Tandeau de Marsac, N.; Rippka, R.; Herdman, M.; Sivonen, K.; Coursin, T.; Laurent, T.; Goodwin, L.; Nolan, M.; Davenport, K. W.; Han, C. S.; Rubin, E. M.; Eisen, J. A.; Woyke, T.; Gugger, M.; Kerfeld, C. A. (2012). «Improving the coverage of the cyanobacterial phylum using diversity-driven genome sequencing». Proceedings of the National Academy of Sciences 110 (3): 1053-1058. ISSN 0027-8424. doi:10.1073/pnas.1217107110. 
  6. ↑ Bandyopadhyay, A.; Elvitigala, T.; Welsh, E.; Stockel, J.; Liberton, M.; Min, H.; Sherman, L. A.; Pakrasi, H. B. (4 de octubre de 2011). «Novel Metabolic Attributes of the Genus Cyanothece, Comprising a Group of Unicellular Nitrogen-Fixing Cyanobacteria». mBio 2 (5): e00214-11-e00214-11. doi:10.1128/mBio.00214-11. 
  7. ↑ Turner, S.; Huang, T-C.; Chaw, S-M. (2001). «Molecular phylogeny of nitrogen-fixing unicellular cyanobacteria». Botanical Bulletin of Academia Sinica 42: 181-186. 
  8. ↑ Červený, Jan; Sinetova, Maria; Zavřel, Tomáš; Los, Dmitry (2 de marzo de 2015). «Mechanisms of High Temperature Resistance of Synechocystis sp. PCC 6803: An Impact of Histidine Kinase 34». Life 5 (1): 676-699. doi:10.3390/life5010676. 
  9. ↑ Marraccini, Pierre; Bulteau, St�phane; Cassier-Chauvat, Corinne; Mermet-Bouvier, Pierre; Chauvat, Franck (noviembre de 1993). «A conjugative plasmid vector for promoter analysis in several cyanobacteria of the genera Synechococcus and Synechocystis». Plant Molecular Biology 23 (4): 905-909. doi:10.1007/BF00021546. 
  10. ↑ a b c Williams, J.G.K. (1988). «Construction of specific mutations in photosystem II photosynthetic reaction center by genetic engineering methods in Synechocystis 6803». Methods in Enzymology (Academic Press) 167: 766-778. doi:10.1016/0076-6879(88)67088-1. 
  11. ↑ Labarre, J.; Chauvat, F.; Thuriaux, P. (1989). «Insertional mutagenesis by random cloning of antibiotic resistance genes into the genome of the cyanobacterium Synechocystis strain PCC 6803». Journal of Bacteriology 171: 3449-3457. 
  12. ↑ Kaneko, T. (1 de enero de 2003). «Structural Analysis of Four Large Plasmids Harboring in a Unicellular Cyanobacterium, Synechocystis sp. PCC 6803». DNA Research 10 (5): 221-228. doi:10.1093/dnares/10.5.221. 
  13. ↑ Shen, G.; Boussiba, S.; Vermaas, W.F. (1993). «Synechocystis sp PCC 6803 strains lacking photosystem I and phycobilisome function». The Plant Cell 5 (12): 1853-1863. doi:10.1105/tpc.5.12.1853. 
  14. ↑ Huang, Hsin-Ho; Lindblad, Peter (2013). «Wide-dynamic-range promoters engineered for cyanobacteria». Journal of Biological Engineering 7 (1): 10. doi:10.1186/1754-1611-7-10. 
  15. ↑ Anderson SL and McIntosh L (mayo de 1991). «Light-activated heterotrophic growth of the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803: a blue-light-requiring process». J Bacteriol 173 (9): 2761-2767. PMC 207855. PMID 1902208. 
  16. ↑ Yusuke Tabei, Katsuhiko Okada and Mikio Tsuzuki (abril de 2007). «Sll1330 controls the expression of glycolytic genes in Synechocystis sp. PCC 6803». Biochem. Biophys. Res. Commun. 355 (4): 1045-1050. PMID 17331473. doi:10.1016/j.bbrc.2007.02.065. 
  17. ↑ Scholz, Ingeborg; Lange, Sita J.; Hein, Stephanie; Hess, Wolfgang R.; Backofen, Rolf; de Crécy-Lagard, Valerie (18 de febrero de 2013). «CRISPR-Cas Systems in the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803 Exhibit Distinct Processing Pathways Involving at Least Two Cas6 and a Cmr2 Protein». PLoS ONE 8 (2): e56470. doi:10.1371/journal.pone.0056470.