Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Ingeniero en Biotecnología Molecular. / En las últimas dos décadas, la especie bacteriana Klebsiella pneumoniae se ha convertido en uno de los principales focos de atención de las autoridades mundiales de salud, debido principalmente a la rápida aparición de cepas hipervirulentas y multiresistentes. La aparición de estas cepas estaría relacionada con el gran dinamismo del genoma de K. pneumoniae, promovido por una alta frecuencia de adquisición y pérdida de elementos genéticos móviles, entre los cuales las Islas Genómicas (GIs) jugarían un rol fundamental. Las GIs son segmentos de DNA que presentan un contenido GC distinto al del resto del cromosoma, y que pueden escindirse o integrarse en distintas posiciones de éste, normalmente en genes que codifican RNAs de transferencia (tDNAs). No obstante la importancia propuesta de las GIs en la evolución de K. pneumoniae, hasta ahora el número de GIs conocidas en esta especie es bajo, y poco se conoce respecto al uso de los tDNAs como sitios de integración de estos elementos en ésta y otras especies bacterianas. En este trabajo se caracterizó el set completo de tDNAs presentes en el cromosoma de 50 cepas de K. pneumoniae, identificando las GIs insertadas en dichos loci. Así, se identificaron y anotaron 97 clases de GIs, las que codifican sobre un 50% de proteínas con función desconocida. Además, se observó que solo un grupo reducido de tDNAs son ocupados como sitios de integración de GIs en esta especie, proponiendo y sometiendo a prueba posibles mecanismos o patrones que podrían explicar en parte este sesgo. Los resultados muestran que la dinámica de integración de GIs en K. pneumoniae es un área de investigación poco explorada, y que la evaluación del rol de las GIs en la hipervirulencia y resistencia a antibióticos de K. pneumoniae requerirá caracterizar una gran cantidad de proteínas codificadas en las mismas, cuya función se desconoce. / In the last two decades, the bacterial species Klebsiella pneumoniae has attracted the attention of global health authorities, mainly due to the dissemination of hypervirulent and multi-resistant strains, which are responsible for more severe infections and are more difficult to treat with the available antibiotics. The rapid development of these strains would be explained by the high dynamism of the K. pneumoniae genome, promoted by a high frequency of gain and loss of mobile genetic elements. Among them, genomic islands (GIs) were proposed to play a major role. GIs are DNA segments harboring a GC content that differs from the average for the host chromosome, and that can excise from and integrate into different locations, mainly into genes encoding transfer RNAs (tDNAs). In spite of the proposed role of GIs in K. pneumoniae evolution, a small number of these elements have been described in this species. Moreover, little is known regarding the usage of tDNAs as integration sites for these elements in bacteria. In this work we characterized the whole set of tDNAs typically present in the K. pneumoniae chromosome, searching for GIs integrated at each of them among 50 K. pneumoniae strains. This way, we identified a total of 97 classes of GIs, where more than 50% of the encoded genes have no predicted function. Additionally, we observed that only a small subset of tDNAs are used as integration sites for GIs in this species, and tested possible hypotheses explaining, at least partially, this bias in the selection of the integration site. Our results indicate that the dynamics of GIs integration in bacteria is an underexplored field, and that evaluating the impact of GIs over K. pneumoniae virulence and drug resistance will require efforts directed to address the functions of a high number of proteins encoded in their GIs.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil en Biotecnología / La creciente tendencia por parte de bacterias patógenas de volverse resistentes a los antibióticos ha llevado al campo de la ciencia a una incansable búsqueda por nuevas moléculas capaces de acabar con estos microorganismos. Una tendencia ha sido buscar compuestos naturales desarrollados por bacterias de ambientes extremos. En esa búsqueda, científicos hallaron una cepa de Streptomyces en el Salar de Huasco, región de Tarapacá, Chile, con propiedades antibióticas y citotóxicas. Con el fin de poder comprender de mejor manera el metabolismo de esta cepa, se realizó un modelo metabólico in silico de tal cepa, denominada HST28, en base al genoma secuenciado de ésta. La primera fase fue determinar la filogenia de la cepa mediante comparación de rRNA 16S, lo cual reveló una cercanía del 97% con Streptomyces avermitilis. Posteriormente, usando la información disponible en la base de datos KEGG, se elaboró el modelo metabólico en base a la comparación entre HST28 y S. avermitilis mediante BLAST usando la extensión de Python COBRApy en Jupyter para armar metabolitos y reacciones. Se generó una serie de funciones destinadas a facilitar el trabajo de elaboración del modelo, junto con un protocolo para encontrar errores en el modelo terminado. El modelo final cuenta con 804 reacciones, 627 metabolitos y 594 genes, lo que constituye un modelo de tamaño promedio para este tipo de estructuras. El análisis al modelo determinó que el HST28 debería crecer mejor con sacarosa como fuente de carbono, y amonio como fuente de nitrógeno. Las tasas de crecimiento en medios mínimos fueron altas en comparación a otros Streptomyces. Finalmente, queda destacar que el procedimiento para generar y curar el modelo tiene la potencialidad de ser útil en otras investigaciones que impliquen el desarrollo de un modelo metabólico.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química. Ingeniera Civil en Biotecnología / El estudios de Streptomyces, bacterias Gram positivas del filo Actinobacteria y cosmopolitas (encontradas en diferentes tipos de ambientes), ha llevado al descubrimiento de un gran número de metabolitos secundarios con potencial terapéutico. Uno de los nuevos tipos de moléculas producidas por estas bacterias son los lazo péptidos. Estos se caracterizan por formar un lazo dentro de su estructura y por presentar actividad antimicrobiana, citotóxica contra diferentes líneas celulares de cáncer y actividad inhibitoria de la replicación de ciertos virus, entre otras. Nuevos estudios han hallado cepas de Streptomyces en ambientes extremos. Una de ellas es la cepa Streptomyces sp. HST28 aislada desde el Salar de Huasco en el norte chileno. Análisis de actividad realizados a este organismo arrojaron potencial antibiótico, antifúngico y citotóxico, además su genoma fue secuenciado dando paso a la realización de minería de genomas sobre su secuencia. El presente trabajo se enfocó en la identificación de los lazo péptidos presentes en Streptomyces sp. HST28 y su caracterización. Para esto se utilizó la estrategia de minería de genomas ubicando los clústers de genes de estos péptidos, luego estos clústers fueron reconstruidos de manera bioinformática. Como segunda etapa se realizó la expresión heteróloga de cada lazo péptido empleando como huésped Streptomyces coelicolor M1152 y M1154. Una vez clonados se detectó el péptido a través de espectrometría de masa y se evaluó su la actividad. Paralelamente al estudio de laboratorio se realizó una investigación in silico de cada lazo péptido creando modelos por homología de secuencia y estructurales, usando como plantilla o molde lazo péptidos ya descritos y caracterizados estructuralmente, buscando similitudes en campos electrostáticos, distribuciones de hidrofobicidad y espaciales. Se encontraron cuatro clústers de genes de lazo péptidos en el genoma de Streptomyces sp. HST28, nombrados como LP1, LP2, LP3 y LP4. Tres de estos lazo péptidos fueron clasificados como clase II y uno de clase I (LP1). La organización de sus clústers es acorde a lo encontrado en bibliografía a excepción del de LP3. Las secuencias codificantes para los cuatro péptidos se clonaron en el vector pIJ10257, que posee el promotor constitutivo ermE*. Solo LP1 y LP3 fueron clonados exitosamente en S. colelicolor M1152, el producto predicho para LP1 no fue encontrado en los clones analizados por espectrometría de masa. En la investigación in silico se logró modelar los cuatro lazo péptidos y se realizó una comparación preliminar con otras estructuras, deduciendo que es posible implementar esta metodología para tener una aproximación del comportamiento de estas moléculas.