Análisis transcriptómico y proteómico de la diatomea marina Chaetoceros muelleri, bajo diferentes concentraciones de nitrógeno

Abstract

Las diatomeas son un recurso potencial para la obtención de diversos compuestos naturales y a menudo se las denomina "fábricas verdes" debido a su capacidad única para realizar la fotosíntesis, convirtiendo la luz solar en biomasa y metabolitos de alto valor. Las estrategias de privación de nitrógeno inducen una respuesta al estrés que desencadena la producción de compuestos valiosos, como lípidos y carbohidratos. El nitrógeno es un componente de moléculas esenciales como nucleótidos y coenzimas, que desempeñan funciones cruciales en los procesos celulares y es un factor crítico que influye en la biosíntesis de proteínas. Desafortunadamente, esta estrategia impacta negativamente la producción de biomasa. Comprender la relación entre la concentración de nitrógeno y la acumulación de proteínas es crucial para aprovechar el potencial de las microalgas en diversas industrias y abordar los desafíos ambientales. La diatomea marina Chaetoceros muelleri acumula lípidos y carbohidratos en condiciones bajas de nitrógeno sin afectar su biomasa. Los enfoques transcriptómicos y proteómicos permiten el estudio de la expresión génica y la acumulación de proteínas en organismos bajo una condición en particular. Para comprender los efectos moleculares de las concentraciones de nitrógeno en C. muelleri, secuenciamos el ARN de las microalgas y comparamos cuantitativamente los perfiles del proteoma de la diatomea, cultivada bajo diferentes concentraciones de nitrógeno (3.53 mM, 1.76 mM, 0.44 mM y 0.18 mM de NaNO3). El estudio reveló una expresión génica diferencial dependiendo de la concentración de nitrógeno, con una inducción significativa de genes involucrados en vías relacionadas con el metabolismo energético, el metabolismo de carbohidratos y el metabolismo de lípidos en condiciones de deficiencia de nitrógeno. También se identificaron vías alternativas de autoabastecimiento de nitrógeno. La limitación de nitrógeno disminuyó el contenido de clorofila y condujo a una mayor respuesta transcripcional, con más unigenes expresados diferencialmente, especialmente a la concentración más baja de nitrógeno (0.18 mM). Los genes clave (Amt1, Nrt2, Fad2, Skn7, Wrky19 y Dgat2) fueron validados mediante RT-qPCR. El enfoque proteómico cuantitativo basado en Tandem Mass Tag (TMT) mostró mecanismos de respuesta específicos en los dos tratamientos limitantes. Las enzimas y proteínas involucradas en las vías de la fotosíntesis fueron más abundantes en la condición Lf4 (0.44 mM), mientras que, sus contrapartes en la señalización celular y los mecanismos de protección presentaron mayor abundancia en el medio con mayor limitación de Nitrógeno, Lf10. La acumulación de enzimas involucradas en el metabolismo del nitrógeno, el metabolismo de carbohidratos y la biosíntesis de proteínas fue mayor en el tratamiento Lf10. Nuestros resultados indican que C. muelleri presentó estrategias específicas en respuesta a cada una de las concentraciones de nitrógeno probadas, sugiriendo que esta respuesta diferencial, podría ser un factor clave para inducir la acumulación de metabolitos sin afectar la producción de biomasa. La activación específica de las vías metabólicas de C. muelleri, puede ser un mecanismo para optimizar la utilización del nitrógeno y la eficiencia fotosintética, redirigir los flujos metabólicos, ajustar el metabolismo central del carbono, mejorar la biosíntesis de lípidos y activar mecanismos de protección y regulación para asegurar su supervivencia. Un análisis metabolómico complementará la información multi-ómica obtenida en este trabajo permitiendo comprender de manera más fina los cambios en el metabolismo de la microalga en respuesta las condiciones limitantes de nitrógeno. Sin embargo, el transcriptoma y el proteoma obtenidos proporcionan una base para mejorar las aplicaciones biotecnológicas de esta diatomea, mediante ingeniería metabólica.