Microbial transformation of elements: the case of arsenic and selenium / Transformación microbiana de los elementos: el caso del arsénico y del selenio

ABSTRACT

Microbial activity is responsible for the transformation of at least one third of the elements in the periodic table. These transformations are the result of assimilatory, dissimilatory, or detoxification processes and form the cornerstones of many biogeochemical cycles. Arsenic and selenium are two elements whose roles in microbial ecology have only recently been recognized. Known as «essential toxins», they are required in trace amounts for growth and metabolism but are toxic at elevated concentrations. Arsenic is used as an osmolite in some marine organisms while selenium is required as selenocysteine (i.e. the twenty-first amino acid) or as a ligand to metal in some enzymes (e.g. FeNiSe hydrogenase). Arsenic resistance involves a small-molecular-weight arsenate reductase (ArsC). The use of arsenic and selenium oxyanions for energy is widespread in prokaryotes with representative organisms from the Crenarchaeota, thermophilic bacteria, low and high G+C gram-positive bacteria, and Proteobacteria. Recent studies have shown that both elements are actively cycled and play a significant role in carbon mineralization in certain environments. The occurrence of multiple mechanisms involving different enzymes for arsenic and selenium transformation indicates several different evolutionary pathways (e.g. convergence and lateral gene transfer) and underscores the environmental significance and selective impact in microbial evolution of these two elements (AU)

RESUMEN

La actividad microbiana es responsable de la transformación de al menos un tercio de los elementos de la tabla periódica. Estas transformaciones son resultado de procesos de asimilación, desasimilación o destoxificación, y son la piedra angular de de muchos ciclos biogeoquímicos. El arsénico y el selenio son dos elementos cuyo papel en la ecología microbiana ha sido reconocido sólo recientemente. Conocidos como «toxinas esenciales», son necesarios en concentraciones mínimas para el crecimiento y el metabolismo, pero son tóxicos a concentraciones elevadas. Algunos animales marinos utilizan el arsénico como osmólito, mientras que el selenio es necesario para formar la selenocisteína (el aminoácido 21) o como ligando de los metales en algunas enzimas (ej. FeNiSe hidrogenasa). En la resistencia al arsénico interviene una arsenato reductasa de bajo peso molecular (ArsC). El uso de oxianiones de arsénico y de selenio para la obtención de energía está muy difundido en los organismos procariotas, con representantes en el grupo Crenarchaeota, en las bacterias termófilas, las bacterias grampositivas de bajo y alto porcentaje de G+C, y entre las proteobacterias. Estudios recientes muestran que los dos elementos siguen un ciclo activo y desempeñan un papel importante en la mineralización del carbono en ciertos ambientes. La presencia de muchos mecanismos en los que intervienen diversas enzimas para la transformación del selenio y del arsénico indica que ha habido distintas rutas evolutivas (por ejemplo, convergencia, y transferencia horizontal de genes) y marca el significado ambiental de estos dos elementos y su impacto selectivo en la evolución microbiana. (AU)