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Method Article
Presentamos el proceso de aislamiento, propagación y caracterización de bacterias degradadoras de hidrocarburos de hábitats acuáticos. El protocolo describe el aislamiento bacteriano, la identificación mediante el método de ARNr 16S y las pruebas de su potencial de degradación de hidrocarburos. Este artículo ayudaría a los investigadores a caracterizar la biodiversidad microbiana en muestras ambientales y, específicamente, a detectar microbios con potencial de biorremediación.
Los hidrocarburos contaminantes son recalcitrantes a la degradación y su acumulación en el medio ambiente es tóxica para todas las formas de vida. Las bacterias codifican numerosas enzimas catalíticas y son naturalmente capaces de metabolizar hidrocarburos. Los científicos aprovechan la biodiversidad de los ecosistemas acuáticos para aislar bacterias con potencial de biodegradación y biorremediación. Estos aislados del medio ambiente proporcionan un rico conjunto de vías metabólicas y enzimas, que pueden utilizarse aún más para ampliar el proceso de degradación a escala industrial. En este artículo, describimos el proceso general de aislamiento, propagación e identificación de especies bacterianas de hábitats acuáticos y evaluamos su capacidad para utilizar hidrocarburos como única fuente de carbono in vitro utilizando técnicas simples. El presente protocolo describe el aislamiento de diversas especies bacterianas y su posterior identificación mediante el análisis de ARNr 16S. El protocolo también presenta pasos para caracterizar el potencial de degradación de hidrocarburos de los aislados bacterianos. Este protocolo será útil para los investigadores que intentan aislar especies bacterianas de hábitats ambientales para sus aplicaciones biotecnológicas.
Los hidrocarburos (HC) se utilizan ampliamente como combustibles y en aplicaciones químicas. Los hidrocarburos aromáticos como el benceno, el tolueno y el xileno se utilizan ampliamente como disolventes1. Alquenos como el etileno y el propileno sirven como precursores en la síntesis de polímeros de polietileno y polipropileno, respectivamente. La polimerización de otro hidrocarburo, el estireno forma poliestireno. Las actividades antropogénicas introducen hidrocarburos en el medio ambiente durante su producción y transporte. La contaminación del suelo y el agua por hidrocarburos preocupa seriamente el medio ambiente y la salud humana. Los microbios desempeñan un papel importante en el mantenimiento del ecosistema mediante la regulación de los ciclos biogeoquímicos y la utilización de una amplia gama de sustratos, que incluyen también contaminantes y xenobióticos, convirtiéndolos en carbono y fuente de energía. Este proceso de desintoxicación de contaminantes ambientales por microorganismos se conoce como biorremediación 3,4,5,6,7.
Los microorganismos con capacidad para degradar hidrocarburos se encuentran en hábitats acuáticos y edáficos 8,9,10. Se han identificado muchas bacterias con el potencial de degradar alcanos y HC aromáticos, como Pseudomonas, Acinetobacter, Rhodococcus, Marinobacter y Oleibacter11. El desarrollo de enfoques tecnológicamente avanzados e independientes de la cultura ha ayudado a descubrir nuevas comunidades microbianas que degradan el HC12. El material genómico aislado directamente de las muestras de origen se amplifica y secuencia mediante métodos de alto rendimiento, como la secuenciación de nueva generación (NGS), seguida de un análisis, lo que elimina la necesidad de cultivar microorganismos. Los métodos de NGS, como el análisis del metagenoma, son caros y sufren inconvenientes relacionados con el proceso de amplificación13. Las técnicas de cultivo, como el cultivo de enriquecimiento selectivo14, que tienen como objetivo el aislamiento de microbios que degradan hidrocarburos, siguen siendo útiles, ya que permiten a los investigadores sondear y manipular las vías metabólicas en aislados bacterianos.
El aislamiento del ADN genómico y la posterior secuenciación del material genómico revelan información valiosa sobre cualquier organismo. La secuenciación del genoma completo ayuda en la identificación de genes que codifican la resistencia a los antibióticos, posibles dianas farmacológicas, factores de virulencia, transportadores, enzimas metabolizadoras de xenobióticos, etc.15,16,17. Se ha demostrado que la secuenciación del gen que codifica el 16SrRNA es una técnica robusta para identificar la filogenia bacteriana. La conservación de la secuencia y la función del gen a lo largo de los años lo convierte en una herramienta fiable para identificar bacterias desconocidas y comparar un aislado con las especies más cercanas. Además, la longitud de este gen es óptima para el análisis bioinformático18. Todas estas características, junto con la facilidad de amplificación de genes mediante cebadores universales y la mejora en la tecnología de secuenciación de genes, lo convierten en un estándar de oro para la identificación de microbios.
En este trabajo se describe un procedimiento para recuperar microorganismos cultivables con potencial de degradación de HC a partir de muestras ambientales. El método que se describe a continuación describe la recolección e identificación de bacterias degradadoras de HC y se divide en cinco secciones: (1) recolección de bacterias a partir de muestras de agua, (2) aislamiento de cultivos puros, (3) exploración de la capacidad de degradación de HC de aislados bacterianos, (4) aislamiento de ADN genómico y (5) identificación basada en la secuenciación del gen 16S rRNA y el análisis BLAST. Este procedimiento se puede adaptar para aislar bacterias para muchas aplicaciones biotecnológicas diferentes.
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1. Recolección, procesamiento y análisis de muestras
NOTA: A continuación, presentamos un protocolo para aislar bacterias de hábitats acuáticos. Algunos de los aislados pueden ser patógenos, por lo tanto, use guantes y desinfecte el área de trabajo antes y después de su uso.
2. Degradación de hidrocarburos
NOTA: El siguiente ejemplo es para examinar los aislados que pueden degradar el estireno. Se trata de una ligera modificación del método adaptado en un informe anterior25. Siga los pasos en condiciones asépticas.
3. Cribado de la degradación de catecol por aislados bacterianos
NOTA: La degradación de hidrocarburos aromáticos como estireno, benceno, xileno, naftaleno, fenoles, etc. produce catecoles como intermediarios de reacción. Los catecoles son metabolizados por las bacterias con la ayuda de las enzimas catecol 1,2-dioxigenasa y catecol 2,3-dioxigenasa a través de las vías de orto- y meta-escisión, respectivamente26. Estas enzimas también intervienen en la degradación de otros hidrocarburos como el clorobenceno27. El protocolo que se menciona a continuación utiliza lisado de células enteras para el ensayo de la enzima catecol 2, 3-dioxigenasa28. El mismo método de lisis se puede utilizar para detectar la actividad de la catecol 1,2-dioxigenasa. Sin embargo, la composición de la mezcla de reacción variará. Ambas enzimas son de naturaleza inducible y pueden ser inducidas por la adición de fenol al medio de crecimiento.
4. Aislamiento genómico del ADN del cultivo puro
NOTA: Este es el protocolo general para el aislamiento de ADN genómico. La tinción de Gram se realizó durante la etapa de recolección, procesamiento y análisis de la muestra. Debido a la variación en el grosor de la pared celular de las bacterias grampositivas y gramnegativas, el método de lisis celular se modifica en consecuencia. Use guantes mientras aísla y desinfecte el banco de trabajo con etanol al 70% para evitar que las nucleasas degraden el ADN. Algunos de los productos químicos que se mencionan a continuación pueden causar quemaduras graves en la piel y se debe tener el cuidado adecuado al manipularlos.
5. Secuenciación del ARNr 16S
NOTA: El protocolo que se describe a continuación es para la amplificación y secuenciación del ARNr 16S para la identificación bacteriana. La información derivada de la secuencia de ARNr 16S se utiliza para la identificación de un organismo desconocido y para encontrar la relación entre diferentes organismos.
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En la Figura 1 se representa el esquema que describe todo el procedimiento para el aislamiento y cribado de bacterias de hábitats acuáticos y su posterior identificación mediante análisis de ARNr 16S. Se recogieron muestras de agua de un humedal en Dadri, India, en botellas de vidrio estériles e inmediatamente se llevaron al laboratorio para su procesamiento. Las muestras se pasaron a través de láminas de filtro con un tamaño de poro de 0,22 μm, y los papeles de fi...
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Está bien establecido que solo aproximadamente el 1% de las bacterias de la Tierra se pueden cultivar fácilmente en el laboratorio6. Incluso entre las bacterias cultivables, muchas permanecen sin caracterizar. Las mejoras en los métodos moleculares han dado una nueva dimensión al análisis y evaluación de las comunidades bacterianas. Sin embargo, estas técnicas tienen limitaciones, pero no hacen que los análisis de la cultura sean redundantes. Las técnicas de cultivo puro para aislar espec...
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Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Agradecemos al Dr. Karthik Krishnan y a los miembros del laboratorio de RP por sus útiles comentarios y sugerencias. DS cuenta con el apoyo de la beca de doctorado de SNU y la beca del Earthwatch Institute India. El laboratorio RP cuenta con el apoyo de una subvención CSIR-EMR y fondos iniciales de la Universidad Shiv Nadar.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Agarose | Sigma-Aldrich | A4718 | Gel electrophoresis |
Ammonium chloride (NH4Cl) | Sigma-Aldrich | A9434 | Growth medium component |
Ammonium sulphate | Sigma-Aldrich | A4418 | Growth medium component |
Bacto-Agar | Millipore | 1016141000 | Solid media preparation |
Calcium chloride (CaCl2) | MERCK | C4901-500G | Growth medium component |
Catechol | Sigma-Aldrich | 135011 | Hydrocarbon degradation assay |
Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB | Sigma-Aldrich | H6269 | Genomic DNA Isolation |
Chloroform | HIMEDIA | MB109 | Genomic DNA isolation |
Disodium phosphate (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S5136 | Growth medium component |
EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | gDNA buffer component |
Ferrous sulphate, heptahydrate (FeSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | 215422 | Growth medium component |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | Growth medium component |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | Growth medium component; Glycerol stocks |
Isopropanol | HIMEDIA | MB063 | Genomic DNA isolation |
LB Agar | Difco | 244520 | Growth medium |
Luria-Bertani (LB) | Difco | 244620 | Growth medium |
Magnesium sulphate (MgSO4) | MERCK | M2643 | Growth medium component |
Manganese (II) sulfate monohydrate (MnSO4.H20) | Sigma-Aldrich | 221287 | Growth medium component |
Nutrient Broth (NB) | Merck (Millipore) | 03856-500G | Growth medium |
Peptone | Merck | 91249-500G | Growth medium component |
Phenol | Sigma-Aldrich | P1037 | Genomic DNA isolation |
Potassium phosphate, dibasic (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | P3786 | Growth medium component |
Potassium phosphate, monobasic (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791 | Growth medium component |
Proteinase K | ThermoFisher Scientific | AM2546 | Genomic DNA isolation |
QIAquick Gel Extraction kit | QIAGEN | 160016235 | DNA purification |
QIAquick PCR Purification kit | QIAGEN | 163038783 | DNA purification |
R2A Agar | Millipore | 1004160500 | Growth medium |
SmartSpec Plus Spectrophotometer | BIO-RAD | 4006221 | Absorbance measurement |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | Genomic DNA isolation |
Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | Growth medium component |
Sodium dodecyl sulphate (SDS) | Sigma-Aldrich | L3771 | Genomic DNA isolation |
Styrene | Sigma-Aldrich | S4972 | Styrene biodegradation |
Taq DNA Polymerase | NEB | M0273X | 16s rRNA PCR |
Tris-EDTA (TE) | Sigma-Aldrich | 93283 | Resuspension of genomic DNA |
Tryptic Soy Broth (TSB) | Merck | 22092-500G | Growth medium |
Yeast extract | Sigma-Aldrich | Y1625-1KG | Growth medium component |
Zinc sulfate heptahydrate (ZnSO4.7H20) | Sigma-Aldrich | 221376 | Growth medium component |
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