Estudo do sistema de fosfotransferases (PTS) no controle do metabolismo de polihidroxibutirato em Herbaspirillum seropedicae

Abstract

Resumo: O sistema de fosfotransferases (PTS) compreende a fosforilação e o transporte de carboidratos através da membrana citoplasmática de procariotos. De forma análoga ao sistema PTS, a maioria das proteobactérias possui um sistema chamado nitrogênio fosfotransferase (PTSNtr) que exerce um amplo papel regulatório em diferentes processos fisiológicos. Em Ralstonia eutropha H16, o sistema PTS tem sido relacionado ao metabolismo de polihidroxialcanoato (PHA). Este polímero possui propriedades similares ao polietileno com a vantagem de ser biodegradável. Devido a essas características, as aplicações industriais do PHB são diversas e justificam o crescente interesse no seu metabolismo. Mutantes defectivos na expressão de proteínas PTS de R. eutropha têm uma redução de 45% na quantidade de PHB acumulado. Apesar desse comportamento também ter sido observado em outros microrganismos, os mecanismos moleculares pelos quais esses efeitos acontecem ainda são pouco esclarecidos. Recentemente, a influência do sistema PTS no metabolismo de PHB em R. eutropha foi relacionado a resposta estringente. No entanto, devido à variabilidade do mecanismo regulatório do sistema PTS, torna-se relevante determinar essa relação entre o sistema PTS e o metabolismo de PHB em outras bactérias, como, por exemplo, a beta-proteobactéria Herbaspirillum seropedicae. Essa bactéria é aeróbica, prototrófica, fixadora de nitrogênio e promotora de crescimento de plantas de interesse econômico. Além disso, essa bactéria também possui a capacidade de acumular PHB e, embora diversos trabalhos tenham explorado a regulação do seu metabolismo de nitrogênio, pouco se sabe a respeito do metabolismo de PHB em H. seropedicae. Com base nestas considerações, este trabalho teve como objetivo geral definir o papel do sistema PTS no metabolismo de PHB em H. seropedicae. Para estudar o sistema PTS de H. seropedicae, as proteínas do sistema foram superexpressas e purificadas. Apesar da cascata de fosforilação do sistema ainda não ter sido definida, mutantes defectivos na expressão das primeiras proteínas do sistema tiveram o acúmulo de PHB diminuído. Através de ensaios de conjugação, foi possível identificar que esse perfil está provavelmente relacionado à regulação da degradação do polímero. O papel de RpoS na regulação exercida pelo sistema PTS também foi investigado. Além disso, a influência do sistema no metabolismo de nitrogênio foi avaliada através de uma abordagem proteômica. Nesse sentido, este trabalho corrobora o efeito pleiotrópico do sistema PTS já observado em outras bactérias e sugere que o sistema PTS atua no metabolismo de PHB através da regulação da sua degradação.

Abstract: The phosphotransferase system (PTS) comprises the phosphorylation and transport of carbohydrates through the cytoplasmic membrane of prokaryotes. Most proteobactérias have an alternative PTS system called nitrogen phosphotransferase (PTSNtr) that plays several regulatory roles. In Ralstonia eutropha H16, the PTS system has been related to the metabolism of polyhydroxyalkanoate (PHA). This polymer has similar properties to polyethylene with the advantage of being biodegradable. Therefore, the industrial applications of PHB are diverse and justify the growing interest in its metabolism. Defective mutants in the expression of R. eutropha PTS proteins have a 45% reduction in the amount of PHB accumulated. Although this phenotype has also been determined in other bacteria, the molecular mechanisms by which these effects occur are still unclear. Recently, the influence of the PTS system on PHB metabolism in R. eutropha was related to the stringent response. However, due to the variability of the regulatory mechanism of PTS system, it is relevant to determine this relationship in other bacteria, such as the beta-proteobacterium Herbaspirillum seropedicae. This bacterium is aerobic, prototrophic, nitrogenfixing and growth promoter of plants with economic interest. Also, this bacterium can accumulate PHB, and although several studies have explored the regulation of its nitrogen metabolism, little is known about the metabolism of PHB in H. seropedicae. Based on these considerations, this work aimed to define the role of the PTS system in the metabolism of PHB in H. seropedicae. To study the PTS system of H. seropedicae, the PTS proteins were overexpressed and purified. Although the phosphorylation cascade of the system has not yet been defined, defective mutants in the expression of the first proteins of the system had the accumulation of PHB decreased. It was possible to identify that this profile is probably related to the regulation of the degradation of the polymer. The role of RpoS in the PTS system regulation was also investigated. The influence of the system on nitrogen metabolism was evaluated through a proteomic approach. In this sense, this work corroborates the pleiotropic effect of the PTS system already observed in other bacteria and suggests that the PTS system acts on the metabolism of PHB by regulating its degradation.