Light and drought: bioprospecting the microbiota of highly-irradiated and dry environments

La bioprospección es la búsqueda de microorganismos, o de sus partes, para el desarrollo de herramientas biotecnológicas. Los ambientes extremos, como aquellos altamente irradiados y secos, albergan microorganismos interesantes desde el punto de vista biotecnológico. Las condiciones duras a las que están sometidos en estos ambientes constituyen una presión de selección de mecanismos que les permiten lidiar con altas dosis de radiación y desecación. El trabajo descrito en esta tesis tiene como objetivo caracterizar el perfil de microorganismos asociado a superficies naturales y artificiales sometidas a irradiación (la zona intermareal mediterránea, el desierto de Tabernas y las cabinas UV de fototerapia de un hospital) mediante una estrategia holística que incluye técnicas dependientes e independientes de cultivo. Hemos puesto énfasis en recuperar la máxima diversidad microbiana y la descripción de nuevos taxones mediante la combinación de técnicas de cultivo sencillas, como el uso al mismo tiempo de diferentes condiciones de cultivo y medios. En paralelo, se han investigado las aplicaciones biotecnológicas y biomédicas de estos microorganismos, especialmente su potencial como antioxidantes. Además, se ha estudiado el uso de condiciones de cultivo alternativas de fermentación en fase sólida mediante el uso de matrices 3D en el modelo Saccharomyces cerevisiae. La combinación de medios de cultivo y condiciones de incubación ha permitido aislar un elevado número de géneros diferentes, potenciales nuevos taxones y cepas biotecnológicamente relevantes, tal y como evidencia la descripción de tres nuevas especies del género Kineoccoccus y dos nuevas del género Belnapia. Por otro lado, las técnicas de NGS permitieron determinar diferencias y similitudes entre los ambientes estudiados y las colecciones microbianas establecidas. En concreto, las comunidades de los tres ambientes estaban dominadas por Pseudomonadota, Actinomycetota y Bacteroidota. Además, la NGS reveló que la baja diversidad encontrada en la colección del litoral rocoso mediterráneo estaba influenciada por los métodos de cultivo y el rendimiento de la PCR. Finalmente, géneros como Hymenobacter, Rubellimicrobium, Paracoccus y Corynebacteriumeran, abundantes en NGS, no estaban en las colecciones. El diseño de matrices sólidas impresas en 3D pretendía estudiar la influencia que estas estructuras pueden tener en el crecimiento de levaduras y en la biotecnología. El crecimiento de Saccharomyces cerevisiae reveló que las matrices de manera drástica favorecen crecimiento celular comparado con los cultivos equivalentes estáticos y la fermentación alcohólica, tal y como confirma el perfil proteómico obtenido para los cultivos en diferentes condiciones de crecimiento. Además, los resultados diferenciales de consumo de glucosa y síntesis de etanol abren la puerta a posibles aplicaciones para la industria. Finalmente, el potencial antioxidante de aislados de la zona intermareal de la costa mediterránea se evaluó mediante ensayos in vitro e in vivo. Además, se estudió el potencial antioxidante del aislado CR10 (Micrococcus luteus), una bacteria productora de carotenoides, en un modelo de enfermedad mitocondrial (el Síndrome de Leigh), en colaboración con el grupo de Neuropatología Mitocondrial de la Universitat Autònoma de Barcelona. Este síndrome fatal se caracteriza por la neurodegeneración, alteraciones motoras y respiratorias, neuroinflamación y niveles incrementados de estrés oxidativo. Por ello se han explorado las terapias basadas en antioxidantes. Pese a que la administración de un preparado microbiano no tuvo efecto beneficioso sobre los animales enfermos, la serendipia nos llevó a identificar que la maltodextrina era responsable de una significativa reducción en la neuroinflamación, un aumento de la longevidad y un incremento de la variabilidad de Akkermansia spp. en el intestino.

Bioprospecting is the search for microorganisms, or their parts, to develop biotechnological tools. Extremophilic environments, such as highly irradiated and dry environments host interesting microbes from the biotechnological perspective. The harsh conditions to which microorganisms are subjected to in these environments constitute a selection pressure of mechanisms that allow them to cope with high doses of radiation and desiccation. The work described in this thesis aims at characterizing the microbial profiles associated to natural and artificial surfaces subjected to irradiation (the Mediterranean rocky-shore, the Tabernas Desert and hospital phototherapy UV cabins), through a holistic strategy including culture-independent and -dependent techniques. We have emphasized improving the recovery of the maximum microbial diversity and the description of novel taxa through the combination of simple culturing strategies, such as combining culture conditions and media. In parallel, the biotechnological and biomedical applications of these microorganisms have been investigated, specifically regarding the potential as antioxidants. Furthermore, the use of alternative culture configurations of solid state fermentation through the use of 3D matrixes has been studied in the model Saccharomyces cerevisiae. The combination of culture media and incubation conditions has resulted in the isolation of a high number of different genera, potentially new taxa and biotechnologically-relevant strains, as evidenced by the description of three new Kineococcus and two Belnapia species. Moreover, NGS allowed us to determine differences and similarities among the studied sites, and with the microbial collections. Specifically, the communities of the three highly-irradiated environments were dominated by Pseudomonadota, Actinomycetota and Bacteroidota. Moreover, NGS revealed that the low diversity found in the collection from the Mediterranean rocky shore was influenced by culturing methods and PCR performance. Finally, genera such as Hymenobacter, Rubellimicrobium, Paracoccus and Corynebacterium were abundant in NGS and completely absent in the collections. The design of 3D-printed solid matrixes aimed at studying whether these structures may influence yeast growth and their impact on biotechnology. The growth of Saccharomyces cerevisiae revealed that our matrixes dramatically fostered cell-yields compared to the equivalent static cultures and appeared to favour alcoholic fermentation, as revealed by the proteomic profiles obtained for cultures in different growth conditions. Moreover, differential results were also obtained in terms of glucose consumption and ethanol biosynthesis, which opens the door for further applications in industry. Finally, the antioxidant potential strains isolated from the Mediterranean supratidal zone was assessed through in vitro and in vivo assays. Moreover, we further tested the antioxidant potential of strain CR10 (Micrococcus luteus), a carotenoid-synthetizing bacteria, in a model of a human mitochondrial disease (Leigh Syndrome), as a collaboration with the group of Mitochondrial Neuropathology in the Universitat Autònoma de Barcelona. This fatal syndrome is characterized by neurodegeneration, motor and respiratory alterations, neuroinflammation and increased levels of oxidative stress. Thus, therapies based in antioxidant compounds have been explored. Although the administration of a microbial preparation had no beneficial effects on the diseased mice, serendipity led us to identify that maltodextrin was responsible of a significant reduction in neuroinflammation, increased lifespan and variability in the abundance of Akkermansia spp. in the gut.