Molecular diversity and transferability of integrons from wastewaters

Na evolução bacteriana, a capacidade de explorar novos ambientes e de responder a diferentes pressões selectivas deve-se principalmente à aquisição de novos genes por transferência horizontal. Integrões são elementos genéticos bacterianos que constituem sistemas naturais de captura e expressão de cassetes de genes, sendo um dos principais mecanismos bacterianos envolvidos na aquisição de resistências a antibióticos. Estudos recentes suportam a hipótese de que os ambientes naturais constituem importantes reservatórios de integrões e cassetes de genes. Uma vez que as águas residuais são descarregadas em receptores naturais, torna-se fundamental conhecer a presença e dispersão de integrões nestes ambientes, assim como a sua associação a outros elementos genéticos móveis e a genes de resistências a antibióticos. Neste trabalho, pretendeu-se avaliar a prevalência e diversidade de integrões em águas residuais de origem animal e doméstica, bem como a sua associação a plasmídeos conjugativos, usando metodologias dependentes e independentes do cultivo de microrganismos em laboratório. Os resultados obtidos sustentam assim a hipótese de que ambientes particularmente ricos em matéria orgânica, como é o caso das águas residuais, constituem ambientes propícios à presença de integrões e à ocorrência de transferência horizontal de genes de resistência a antibióticos, embora a sua prevalência e diversidade seja influenciada pelo tipo de efluente em questão. A presença de integrões em estações de tratamento de águas residuais, e em especial nos efluentes tratados, constitui assim um factor preocupante, uma vez que tal contribui para a sua disseminação e dispersão por outros ecossistemas aquáticos, nomeadamente rios e mares. Os métodos utilizados permitiram também detectar uma elevada diversidade de cassetes de genes associadas a integrões, sendo possível que algumas dessas sequências codifiquem para proteínas que desempenhem um importante papel na adaptação bacteriana às intensas pressões selectivas características deste tipo de ambientes. Assim, é possível concluir que as comunidades bacterianas presentes em águas residuais reúnem diferentes tipos de elementos geneticamente móveis que desempenham um importante papel não só na adaptação bacteriana, mas também na disseminação de determinantes genéticos de resistência para ambientes naturais. Adicionalmente, a presença de potenciais proteínas com possíveis aplicações biotecnológicas reforça a importância das águas residuais como fontes de diversidade funcional. Este trabalho incluiu também a criação e implementação da base de dados INTEGRALL, desenvolvida com o intuito de congregar informação acerca de integrões e de uniformizar a nomenclatura de cassetes de genes.

Integrons are genetic systems that enable bacteria to acquire and excise gene cassettes by site-specific recombination. These structures are often associated with plasmids and transposons playing an important role in horizontal gene transfer. In this work the diversity of integrons in wastewater environments has been assessed. Specifically, the prevalence of integrons, diversity of encoding gene cassettes and their association with broad-host range plasmids was investigated using culture-dependent and independent methodologies. Results obtained support the hypothesis that wastewater environments constitute hotspots for the presence of integrons and the occurrence of horizontal gene transfer, although its prevalence is affected by the type of effluent. The presence of integrons in wastewater treatment plants and, in particular in treated effluents, constitutes a matter of concern regarding their dissemination and spreading to other aquatic systems, such as rivers and seas. The methodologies here applied also allowed the detection of a highly diverse reservoir of integron-borne gene cassettes in wastewater environments encoding putative proteins that may have an important role in bacterial adaptation to intensive selective pressures characteristic of these environments. In conclusion, this study shows that wastewater environments promote the development of bacterial communities that support and bring together different types of molecular elements that in association are the main players in the dissemination of antibiotic resistance determinants to natural environments and in bacterial adaptation. In addition, the presence of putative proteins with potential biotechnological applications justifies further work in gene cassette characterization and stresses the importance of wastewaters gene cassette reservoirs as sources of functionally diverse proteins. This work also included the implementation of INTEGRALL database, an online platform developed to congregate information on integrons and standardize gene cassette nomenclature.

Doutoramento em Biologia

FCT - SFRH/BD/19433/2004

FSE

SFRH/BD/19433/2004