Corynebacterium glutamicum as a model bacterium for the bioremediation of arsenic / Corynebacterium glutamicum como bacteria modelo para la biorremediación de arsénico

ABSTRACT

Arsenic is an extremely toxic metalloid that, when present in high concentrations, severely threatens the biota and human health. Arsenic contamination of soil, water, and air is a global growing environmental problem due to leaching from geological formations, the burning of fossil fuels, wastes generated by the gold mining industry present in uncontrolled landfills, and improper agriculture or medical uses. Unlike organic contaminants, which are degraded into harmless chemical species, metals and metalloids cannot be destroyed, but they can be immobilized or transformed into less toxic forms. The ubiquity of arsenic in the environment has led to the evolution in microbes of arsenic defense mechanisms. The most common of these mechanisms is based on the presence of the arsenic resistance operon (ars), which codes for (i) a regulatory protein, ArsR; (ii) an arsenite permease, ArsB; and (iii) an enzyme involved in arsenate reduction, ArsC. Corynebacterium glutamicum, which is used for the industrial production of amino acids and nucleotides, is one of the most arsenic-resistant microorganisms described to date (up to 12 mM arsenite and >400 mM arseniate). Analysis of the C. glutamicum genome revealed the presence of two complete ars operons (ars1 and ars2) comprising the typical three-gene structure arsRBC, with an extra arsC1’ located downstream from arsC1 (ars1 operon), and two orphan genes (arsB3 and arsC4). The involvement of both ars operons in arsenic resistance in C. glutamicum was confirmed by disruption and amplification of those genes. The strains obtained were resistant to up to 60 mM arsenite, one of the highest levels of bacterial resistance to arsenite so far described. Using tools for the genetic manipulation of C. glutamicum that were developed in our laboratory, we are attempting to obtain C. glutamicum mutant strains able to remove arsenic from contaminated water (AU)

RESUMEN

El arsénico es un metaloide extremadamente tóxico y su presencia a concentraciones elevadas es una amenaza grave para la biota y para la salud humana. La contaminación del suelo, agua y aire por arsénico es un problema ambiental que va en aumento en todo el mundo debido a la lixiviación de formaciones geológicas, al uso de combustibles fósiles, al vertido incontrolado de residuos de la industria minera del oro, y a los usos inadecuados en agricultura o medicina. A diferencia de los contaminantes orgánicos, que se descomponen en compuestos químicos inofensivos, los metales y los metaloides no se destruyen, pero pueden ser inmovilizados o transformados en formas menos tóxicas. La ubicuidad del arsénico en el ambiente originó la aparición de mecanismos de defensa en los microorganismos; el mecanismo más frecuente se basa en la presencia del operón de resistencia al arsénico (ars), que codifica (i) una proteína reguladora, ArsR; (ii) una permeasa de arsenito, ArsB; y (iii) una enzima que interviene en la reducción del arsenato, ArsC. Corynebacterium glutamicum, usado para la producción industrial de aminoácidos y nucleótidos, es uno de los microorganismos más resistentes a arsénico descritos hasta la fecha (hasta 12 mM de arsenito y >400 mM de arseniato). El análisis del genoma de C. glutamicum ha revelado la presencia de dos operones ars completos (ars1 y ars2) que muestran la estructura típica de tres genes arsRBC, con un gen extra arsC1’ situado en el extremo 3’ de arsC1 (operón ars1), y dos genes huérfanos, arsB3 y arsC4. La intervención de ambos operones ars en la resistencia al arsénico en C. glutamicum fue confirmada por la interrupción y amplificación de dichos genes. Se obtuvieron cepas resistentes a concentraciones de hasta 60 mM de arsenito, que es uno de los niveles más altos de resistencia bacteriana a arsenito descritos hasta ahora. Por medio de las técnicas de manipulación genética de C. glutamicum desarrolladas en nuestro laboratorio, estamos tratando de obtener cepas mutantes de C. glutamicum capaces de eliminar arsénico del agua contaminada (AU)