Evolução da magnetotaxia: predição, isolamento e caracterização de bacteriófagos potencialmente transdutores de genes de biomineralização

Bactérias magnetotáticas (BMs) compõem um grupo de bactérias Gram-negativas que possuem diversidade morfológica, filogenética e metabólica, apresentando a capacidade sintetizar nanocristais ferromagnéticos envoltos por uma membrana biológica, os magnetossomos. Magnetossomos são organelas que auxiliam na navegação destes microrganismos em colunas d’agua ou sedimentos quimicamente estratificados, utilizando o campo magnético da Terra como guia. Esse comportamento é conhecido como magnetotaxia. A biomineralização do magnetossomo é altamente regulada a nível genético e um conjunto específicos de genes é responsável por esse processo. Embora os genes de biomineralização sejam conhecidos, sua origem e distribuição ao longo da evolução de BMs ainda é desconhecida. Eventos de transferência horizontal de genes (THG) podem explicar o espalhamento da magnetotaxia entre os representantes magnetotáticos dos filos Proteobacteria, Nitrospirae e Omnitrophica. Fagos são a entidade biológica mais abundante no planeta Terra e participam diretamente de processos de transferência de genes, assim como em ciclos biogeoquímicos, controle populacional e ciclagem de matéria orgânica nos oceanos. Nesse trabalho, foram preditos profagos em BMs bem como o isolamento e caracterização de fagos produzidos por Magnetofaba. australis cepa IT-1. Fagos já foram evidenciados em culturas de Mf. australis cepa IT-1 por microscopia eletrônica de varredura e citometria de fluxo (Toledo, 2016). Nossos resultados mostram profagos preditos em genomas de BMs descritas na literatura encontrando-se o predomínio de sequências correspondentes a fagos das famílias Myo-, Sipho- e Podoviridae. Análises filogenéticas permitiram inferir que profagos de Mf. australis cepa IT-1 estão distantes filogeneticamente dos fagos preditos na BM mais próxima descrita, Mc. marinus cepa MC-1. Populações de fagos produzidos por Mf. australis cepa IT-1 foram quantificados durante o cultivo e após a purificação destas partículas obtendo-se a ordem de 107 bacteriófagos e 105 bactérias por mililitro. Bacteriófagos envelopados com diâmetro médio em torno de 100 nm foram observados por microscopia eletrônica de transmissão (MET) e genes de biomineralização foram amplificados por PCR usando o genoma fágico como molde. Estes dados demonstram que fagos são produzidos em cultura por Mf. australis cepa IT-1 são potenciais transdutores de genes de biomineralização

Biomineralization of Magnetosomes: Billion-Year Evolution Shaping Modern Nanotools

Biomineralization in the microbial realm usually gives origin to finely structured inorganic nanomaterials. Perhaps, one of the most elegant bioinorganic processes found in nature is the iron biomineralization into magnetosomes, which is performed by magnetotactic bacteria. A magnetosome gene cluster within the bacterial genome precisely regulates the mineral synthesis. The spread and evolution of this ability among bacteria are thought to be a 2,7-billion-year process mediated by horizontal gene transfers. The produced magnetite or greigite nanocrystals coated by a biological membrane have a narrow diameter dispersibility, a highly precise morphology, and a permanent magnetic dipole due to the molecular level control. Approaches inspired by this bacterial biomineralization mechanism can imitate some of the biogenic nanomagnets characteristics in the chemical synthesis of iron oxide nanoparticles. Thus, this chapter will give a concise overview of magnetosome synthesis’s main steps, some hypotheses about the evolution of magnetosomes’ biomineralization, and approaches used to mimic this biological phenomenon in vitro