El Laboratori d’Oceanografia Microbiana (LOMIC) de l’Observatori Oceanològic de Banyuls de la Marenda fou creat el gener del 2010. En aquest mateix observatori trobem el Laboratori d’Ecogeoquímica dels Ambients Bèntics (LECOB). François-Yves Bouget, subdirector del LOMIC, i Pierre Galand, microbiòleg del LECOB han col·laborat en una recerca metagenòmica sobre la complementarietat funcional dels metabolismes de la vitamina B1 (tiamina) i de la vitamina B12 (cobalamina) en les comunitats microbianes marines estacionals de la Badia de Banyuls. D’aquesta recerca ha derivat un article, amb Maxime Beauvais (LOMIC) com a primera autora que ha estat publicat avui a ISME Journal, la revista de la Societat Internacional d’Ecologia Microbiana. Beauvais fa la tesi doctoral, co-dirigida per Bouget i Galand, sobre les interaccions biòtiques que regulen els blooms hivernals de fitoplàncton de la Badia de Banyuls. Adopten una perspectiva d’ecologia microbiana, és a dir de concebre com un tot la comunitat microbiana marina, amb tota la xarxa d’interdependències metabòliques que influeixen la seva estructura i dinàmica, i també el seu impacte en el reciclatge de nutrients, i en el cicle biogeoquímic general. La tiamina i la cobalamina són cofactors enzimàtics crucials en les rutes metabòliques centrals de gairebé tots els organismes. Beauvais et al. es proposaren investigar la dinàmica temporal de la producció i biodisponibilitat d’aquests cofactors i el seu impacte en les interaccions microbianes. Per fer-ho establiren una sèrie temporal de metagenòmica d’un abast de set anys, i d’una resolució mensual, amb mostres obtingudes de l’estació SOLA. Podem classificar els organismes, en relació a la tiamina i a la cobalamina, entre protòtrofs (capaços de sintetitzar-les per ells mateixos) i auxòtrofs (que l’han d’incorporar des d’una font externa, i per tant per ells són vitamines). Beauvais et al. troben que al llarg de tot l’any en les aigües marines de l’estació SOLA hi ha microorganismes auxòtrofs per a la tiamina i la cobalamina. Els microorganismes auxòtrofs per a la tiamina els més prevalents són els que requereixen l’assimilació d’HMP com a precursor de la tiamina, i són especialment abundants en l’estiu. El patró metagenòmic sembla indicar una relació mutualista entre els microorganismes productors de tiamina i cobalamina i els auxòtrofs al llarg dels mesos de l’any. En l’estiu la doble complementarietat de tiamina i cobalamina és més habitual, mentre que a l’hivern domina més aviat la complementarietat simple. En estudis anteriors ja havien vist que la cobalamina és un component limitador durant l’hivern. Pel que fa a la tiamina la disponibilitat durant l’hivern és variable, malgrat que hi ha una abundància de microorganismes que la produeixen. Beauvais et al. han realitzat experiments de microcosmos que posen de manifest que la manipulació de les concentracions de tiamina i de cobalamina altera la composició de les comunitats microbianes. Estudis a més llarg termini i de major resolució sobre diferents hàbitats marins podrien ajudar entendre millor el rol d’aquests cofactors enzimàtics en els processos ecològics del fitoplàncton.
La Badia de Banyuls fotografiada per Cedric Lacrambe
Els cofactors enzimàtics en el funcionament de comunitats microbianes marines
Les comunitats microbianes marines són integrades per una gran diversitat d’organismes. El fitoplàncton, és a dir el conjunt d’organismes fotosintètics que suren en la columna d’aigua, constitueix la base de la xarxa tròfica marina, i té doncs una influència crucial en el cicle de nutrients i en els cicles biogeoquímics generals. Els membres d’aquestes comunitats interactuen a través de xarxes complexes. De particular interès, és clar, són les interaccions tròfiques, com ara l’alimentació creuada metabòlica.
Un exemple d’aquestes interaccions són els bescanvis dels cofactors coneguts com a ‘vitamines B’. La tiamina (vitamina B1) i la cobalamina (vitamina B12) són cofactors enzimàtics del metabolisme central de la majoria d’organismes, inclosos els microorganismes planctònics. De fet, la tiamina i la cobalamina actuen com a reguladors del creixement de les comunitats planctòniques fotosintètiques. La producció de tiamina i cobalamina té lloc en alguns microorganismes procariòtics. Ara bé, també hi ha molts microorganismes procariòtics que són auxòtrofs per a la tiamina i/o per a la cobalamina. De fet, la majoria d’eucariotes i procariotes planctònics són auxòtrofs, si més no, per una de les dues.
L’auxotròfia comporta la dependència obligada d’interaccions amb microorganismes propers que produeixin la vitamina o precursors. La relació pot ésser d’una interdependència més complexa. Hi ha microorganismes que bescanvien tiamina i pantotenat. En d’altres casos hi ha una cooperació per a sintetitzar cobalamina amb el bescanvi previ de precursors.
En el litoral mediterrani la dinàmica de la cobalamina segueix una successió anual de diferents organismes que empren vies metabòliques diferents per sintetitzar-la, de forma que hi ha una estacionalitat en la biodisponibilitat de la cobalamina.
Pel que fa a la tiamina, l’auxotròfia és més la norma que l’excepció. Llinatges abundants de bacteris marins com SAR86 o SAR11 requereixen un precursor exogen per completar la síntesi de tiamina.
La biosíntesi de tiamina consisteix en dos ramals que produeixen els precursos pirimidina (HMP) i tiazol (cHET/HET), que es condensen en el cofactor actiu TMP. El ramal de la pirimidina depèn dels gens thiC/thiD. El ramal del tiazol depèn dels gens thiG/thiM/tenI. Així els auxòtrofs d’HMP manquen del gen thiC; els auxòtrofs de cHET/HET manquen del gen thiG; els auxòtrofs duals manquen dels dos; i els auxòtrofs intactes utilitzen transportadors de tiamina exògena codificats pels gens thiBPQ/YnJ/thiT.
Entre els microorganismes protòtrofs per a la tiamina és habitual que hi hagi sistemes reguladors que permeten transitar de la síntesi de tiamina a la captació exògena segons la biodisponibilitat ambiental.
Tiamina i cobalamina participen en passos interconnectats dels metabolisme central del carboni i de compostos d’un sol carboni. Això explica que l’auxotròfia per a una pugui alterar la demanda de l’altra.
En termes generals, la majoria de microorganismes marins tendeixen a preferir la captació de precursors exògens a la mantindre una ruta sintètica completa.
De l’Estació SOLA al metagenoma
Les mostres d’aigua marina foren recollides mensualment a 3 metres de fondària en l’Observatori Microbià SOLA de la Badia de Banyuls des de gener del 2009 al desembre del 2015. Aquesta feina es feia amb el vaixell ‘Nereis II’.
Nereis II és el vaixell de la flota oceanogràfica francesa que opera a la Costa Vermella
Uns 5 L d’aigua marina eren filtrats seqüencialment pel filtres de 3 μm i de 0,2 μm. Dels filtres es feia una extracció d’ADN que era seqüenciat en un sistema NovaSeq 6000 d’Illumina, amb 50 gigabases (166 milions de lectures) per cada metagenoma.
Les lectures metagenòmiques eren tractades amb CUTADAPT v1.16 i ensamblades amb MEGAHIT. La predicció de gens es feia amb Prodigal v2.6.3 i MetaGeneMark v3.38, i l’anotació amb la base de dades KEGG v2017. Es feien estimacions de l’abundància gènica per mostra. L’afiliació taxonòmica de gens funcionals es feia amb GTDB.
S’obtingué un total de 2098 genomes, dels quals 1243 eren no-redundats. Uns 200 genomes tenien, si més no, un dels 16 marcadors del metabolisme de la tiamina, i 309 un dels 26 marcadors del metabolisme de la cobalamina.
En 15 mostres d’aigua marina de SOLA obtingudes entre el desembre del 2016 i el març del 2017 es va fer un bioassaig per a la detecció de tiamina i precursors. Aquest bioassaig utilitza la picoalga cultivada Ostreococcus tauri RCC745, la qual tan sols pot créixer en presència de tiamina o dels precursos cHET i HMP.
En triplicats d’aigua marina de SOLA recollida entre el desembre del 2017 i el març del 2018 es conduïren experiments de microcosmos. Els mesos d’hivern, a la Badia de Banyuls, són els de major productivitat primària i major diversitat microbiana. En diferents experiments es feia addició de tiamina, cobalamina, tiamina+cobalamina, HMP, cHET, HMP+cHET. Al cap de l’experiment es feia un comptatge per citometria de flux de bacteris i de picofitoplàncton, i una seqüenciació del gen 16S rRNA.
Els gens de producció i captació de tiamina
Beauvais et al. identifiquen en la sèrie temporal metagenòmica de SOLA 22 gens marcadors que codifiquen per a les diferents passes de la producció i captació de tiamina. Els més abundants són els gens thiL, thiE, thiG, thiD i thiC, que codifiquen les principals funcions implicades en la producció de novo de difosfat de tiamina. Entre els gens que seguien una ritme estacional hi havia el gen thiL, amb un pic en el mes de juny; el gen thiC, amb un pic en el mes de gener.
L’abundància relativa de thiN-TPK1 i thiD respecte de thiM, indicaria que els auxòtrofs de tiamina i d’HMP són més habituals que els auxòtrofs de cHET o els auxòtrofs duals. ThiM tenia un pic estacional en el mes d’agost, mentre que thiN-TPK1 el tenia en el mes de gener.
Els transportadors d’HMP (thiXYZ) i de tiamina (thiBPQ, Ynj) són en general més abundants que ThiM. Els gens thiXYZ i Ynj tenen un pic estacional de juliol a agost. Thi4-thi, que codifica una tiazol-sintasa que permet la producció de cHET en arquees, és menys abundant que els seu equivalent bacterià thiG, però mostra un pic estacional en el mes de gener.
Durant l’hivern hi ha un pic d’abundància de microorganismes protòtrofs per a la tiamina com ara Pseudothioglobus o Nitrosopumilus. Els microorganismes auxòtrofs o consumidors de tiamina, dominats per alfaproteobacteris, fan el pic en la primavera-estiu.
La correlació entre les comunitats per la tiamina i la cobalamina
Pel que fa a la tiamina, entre els 50 gèneres més abundants hi ha predomini dels auxòtrofs sobre els protòtrofs.
Pel que fa a la cobalamina, entre els 50 gèneres més abundants hi ha un lleuger avantatge de la prototròfia en relació a l’auxotròfia.
La interdependència metabòlica per la tiamina i la cobalamina és més marcada en l’estiu que en l’hivern. Ara bé, és en l’hivern on hi ha més complementarietat potencial entre protòtrofs i auxòtrofs, particularment pel que fa a la tiamina.
La biodisponibilitat estacional de tiamina
El bioassaig amb Ostreococcus tauri RCC745 indicaria que a mitjan desembre, a principi de febrer i a principi de març hi hauria una disminució de la biodisponibilitat de tiamina i precursors en les aigües de Banyuls.
L’efecte de l’addició de tiamina i cobalamina en microcosmos
L’addició de HMP+cHET tenia un fort efecte en la composició microbiana i en l’abundància de picoeucariotes. L’addició simultània de tiamina i cobalamina tenia més impacte sobre la composició microbiana que la de cada cofactor per separat.
La tiamina i la cobalamina com a factors de la composició de la comunitat microbiana marina
Al llarg de l’any hi ha una fluctuació en els nivells de cofactors i precursors. Els experiments en microcosmos mostren que l’addició promou alhora el creixement de protòtrofs i auxòtrofs. Això s’explica perquè amb l’addició els protòtrofs poden fer descansar la ruta de síntesi endògena en favor de la captació exògena.
Les xarxes d’interacció metabòlica durant l’estiu són diferents a les de l’hivern. A l’estiu hi ha una major interconnexió metabòlica, i una major proporció d’auxòtrofs per a la tiamina. A l’hivern la complementarietat és més senzilla.
A l’hivern hi ha una més barreja en profunditat en la columna d’aigua. La temperatura a una fondària de 3 metres és més baixa, i el nivell de producció primària és més alt, promogut per una major concentració de nitrat i fosfat. No obstant, en aquesta època de l’any hi ha una menor disponibilitat de cobalamina i de tiamina. En aquest context els auxòtrofs tenen una major dependència envers els pocs productors procariòtics actius (com ara els Thaumarchaeota). Els blooms successius de Bathycoccus i Micromonas durant l’hivern mobilitzen tiamina i cobalamina.
En l’estiu la columna d’aigua es troba més estratificada. Les aigües superficials són més càlides i oligotròfiques, i allà domina Synechococcus. Hi ha llavors una major biodisponibilitat de cobalamina.
L’estacionalitat contribueix a mantindre la diversitat funcional i taxonòmica de l’ecosistema marí.
Lligams:
– Functional complementarity between vitamin B1 and B12 metabolisms shapes seasonal marine microbial communities. Maxime Beauvais , Philippe Schatt , Tanguy Soulié , Stefan Lambert , Lidia Montiel , Marinna Gaudin , Samuel Chaffron , Ramiro Logares , François-Yves Bouget , Pierre E Galand. ISME J. (2026).
Des de la Mediterrània 
Podeu escriure el vostre comentari aquí: