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Aprender a combatir las floraciones de algas nocivas


En todos los océanos del mundo, en los ciclos globales de nutrientes, las cadenas alimentarias y el clima, así como cada vez más en los procesos industriales creados por el hombre, un conjunto diverso de microbios planctónicos, como las algas, desempeñan un papel integral.


por la Universidad de Delaware


Sin embargo, para casi todos estos microbios planctónicos, se sabe poco acerca de ellos genéticamente más allá de unas pocas secuencias de marcadores, mientras que su morfología, interacciones biológicas, metabolismo y significado ecológico siguen siendo un misterio.

Las algas producen la mitad del oxígeno en la atmósfera de la Tierra y algunas formas de algas se usan en aplicaciones industriales, como la producción de ácidos grasos con alto contenido de omega-3 para fórmula para bebés o para biocombustibles, por lo que hay muchas razones por las que una mejor comprensión de las algas podría ser beneficioso. Sin embargo, hay otro lado de las algas, ya que algunas especies pueden crear floraciones de algas nocivas (HAB), y esas han sido el foco de la investigación de Kathryn Coyne de la Universidad de Delaware.

Avanzando en el estudio de los microbios.

Para ayudar a avanzar en la comprensión de las instrucciones celulares que sustentan la vida microbiana en el mar, Coyne se unió a más de 100 científicos de instituciones de todo el mundo para publicar una compilación de métodos o protocolos para experimentos de laboratorio que ayudarán a los científicos a comprender mejor Los fundamentos genéticos de las algas marinas como un artículo de recurso en la revista Nature Methods .

El trabajo fue financiado por la Iniciativa de Microbiología Marina de la Fundación Gordon y Betty Moore. Por su contribución a la colaboración, Coyne trabajó específicamente con Heterosigma akashiwo, una especie de alga que puede producir HAB.

Uno de los misterios sobre H. akashiwo es que, si bien algunas cepas producen toxinas que pueden matar a los peces, otras no son tóxicas.

«No tenemos una comprensión clara de qué tipo de toxina producen. Solo sabemos que cuando hay floraciones de estas algas en algunas partes del mundo, están asociadas con la muerte masiva de peces», dijo Coyne, profesor asociado. de biociencias marinas en la Facultad de Tierra, Océano y Medio Ambiente (CEOE) de la UD y directora del programa Delaware Sea Grant. «Tampoco sabemos por qué algunas cepas producen toxinas o qué estimula esta producción de toxinas».

Los científicos a menudo usan la manipulación del genoma para comprender mejor cómo responden los microbios al medio ambiente o para identificar genes que pueden estar involucrados en una respuesta específica, como la producción de toxinas. Sin embargo, a diferencia de otras especies de algas que sirven como modelos para la manipulación del genoma, H. akashiwo no tiene una pared celular, sino que solo tiene una membrana delgada que mantiene la forma celular. Coyne explicó que tener una pared celular puede ser un impedimento para las manipulaciones del genoma y que este tipo de experimentos generalmente implican algún esfuerzo inicialmente solo para eliminar la pared celular o hacerla más porosa.

Debido a que H. akashiwo carecía de una pared celular , Coyne y su equipo de investigación propusieron que la manipulación del genoma podría ser más directa con esta especie, y pudieron demostrar que usar un par de métodos de manipulación genética que han tenido éxito en otras especies modelo.

«Creamos una pieza de material genético que podría introducirse en las células de Heterosigma que las haría resistentes a un antibiótico específico», dijo Coyne. «Si tuviéramos éxito, podríamos cultivarlos en este antibiótico y las células que habían incorporado el gen de resistencia sobrevivirían».

Coyne trabajó con Deepak Nanjappa, una investigadora postdoctoral en su laboratorio que también es autora del artículo, así como con Pam Green y los miembros de su laboratorio, Vinay Nagarajan, investigadora postdoctoral, y Monica Accerbi, investigadora asociada en el laboratorio de Green en el laboratorio. Instituto de Biotecnología de Delaware (DBI).

Juntos, probaron un puñado de métodos y optimizaron los que tuvieron éxito para Heterosigma. Un método en particular se repitió con éxito varias veces, lo que demuestra que fueron capaces de producir una cepa de Heterosigma genéticamente modificada. Con este enfoque, los científicos ahora pueden probar el genoma de Heterosigma akashiwo para comprender mejor cómo responde esta especie a las señales ambientales, o qué genes son responsables de su toxicidad.

Uno de los objetivos del proyecto era hacer que todos los métodos desarrollados fueran de libre acceso para que los científicos puedan tomar esa información y usarla en su propia investigación.

«La Fundación Moore financió este proyecto con la expectativa de que todos los métodos desarrollados durante esta investigación serían publicados», dijo Coyne. «Nada es propiedad de este proyecto, por lo que podemos compartir cualquiera de los protocolos que desarrollamos para Heterosigma».

Inmovilizando bacterias algicidas

Además, Coyne publicó otro artículo en la revista científica, Harmful Algae, que detallaba su trabajo con Yanfei Wang, una estudiante de doctorado en CEOE, que estudiaba la bacteria algicida Shewanella y cómo podría usarse para remediar las HAB.

Shewanella, que es una bacteria algicida que se ha aislado de las bahías interiores de Delaware, se está desarrollando como un control biológico para los HAB. Secreta compuestos solubles en agua que inhiben el crecimiento de dinoflagelados, organismos unicelulares que a menudo producen toxinas y contribuyen a los HAB. Otra investigación sobre esta especie de Shewanella muestra que no tiene efectos negativos en el crecimiento de otras especies de algas, ni en peces o mariscos. Como se aisló de las aguas locales, puede considerarse una solución «ambientalmente neutral» para controlar los HAB.

Para utilizar Shewanella en el entorno natural para controlar los HAB, primero debe existir un método para desplegar la bacteria de manera segura en áreas que están en riesgo de HAB.

Para acercar esta solución de control HAB a la realidad, Coyne y Wang inmovilizaron a Shewanella en varios materiales porosos. Financiado por Delaware Sea Grant, esta investigación determinó qué tan bien cada material retiene la bacteria con el tiempo y si la forma inmovilizada de Shewanella fue efectiva para controlar el crecimiento de dinoflagelados.

A diferencia de otros enfoques de control de HAB, como la aplicación de productos químicos tóxicos como el sulfato de cobre, la ventaja de usar bacterias algicidas inmovilizadas es el potencial para el control continuo de HAB sin la necesidad de una nueva aplicación frecuente. Las bacterias inmovilizadas también se pueden eliminar cuando ya no se necesitan.

Esta investigación encontró que un hidrogel de alginato fue el más exitoso de los materiales porosos utilizados en el estudio y tuvo la mejor retención de las células de Shewanella.

Esta investigación también mostró que las células de Shewanella inmovilizadas en perlas de alginato eran tan efectivas como las bacterias libres para controlar el crecimiento de las especies dañinas y al mismo tiempo no tenían impactos negativos en una especie de control no dañina.

En general, el estudio sugiere que Shewanella inmovilizada puede usarse como un enfoque ecológico para prevenir o mitigar la proliferación de dinoflagelados nocivos y proporciona información y direcciones para futuros estudios.


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