Evaluación de la diversidad taxonómica y funcional de microorganismos en la quebrada Yahuarcaca a partir de una aproximación metagenómica

Equipo: Angie Natalie Díaz Ruiz, Ana Lucia Noguera, María Camila Escobar, Carolina Díaz, Gladys Cardona

El estudio se realizó a lo largo de la microcuenca de la quebrada Yahuarcaca, un sistema lótico, que desemboca en un sistema de lagos o zona de amortiguación, antes de desembocar en el río Amazonas.

Se seleccionaron tres sitios de muestreo a lo largo de la quebrada Yahurcaca (QY), que incluye el tramo alto (A), medio (M) y bajo (B). En cada sitio de muestreo se tomaron muestras compuestas de agua (W), sedimentos superficiales y suelo aluvial, por triplicado (R1, R2, R3). En este informe se describe el análisis realizado a nueve muestras de agua (Tabla 1).

En cada uno de los sitios de muestreo se tomaron tres muestras compuestas denominadas R1, R2 y R3. Las muestras compuestas consisten en muestras de agua tomadas a un porcentaje de 25%, 50% y 75% de distancia con respecto al borde derecho del río (Figura 1). Las muestras fueron almacenadas en hielo y enviadas al laboratorio de Biotecnología y Recursos Genéticos (sede de Bogotá) para su análisis.

Análisis de la diversidad microbiana y su función ecológica en la quebrada Yahuarcaca

Se estudió la diversidad taxonómica y funcional de los microorganismos presentes en la quebrada Yahuarcaca usando la técnica llamada metagenómica, que permite estudiar el ADN de todos los microorganismos presentes en un ambiente para entender qué organismos están presentes y cómo funcionan en comunidad.

El ADN recolectado a partir de las muestras ambientales fue secuenciado usando una estrategia shotgun (protocolo paired-end) en Novogene. Los datos obtenidos se procesaron en una plataforma llamada KBase (https://www.nature.com/articles/s41596-022-00747-x), donde se ensamblaron las secuencias con programas especiales para reconstruir fragmentos más grandes y organizarlos en grupos llamados «bins«. El objetivo de un bin es representar el genoma completo o casi completo de un microorganismo específico en una comunidad compleja. A partir de estos grupos de secuencias se recuperaron genomas microbianos de los organismos dominantes, también llamados MAGs por sus siglas en inglés metagenome-assembled genomes, estos genomas permiten identificar las especies dominantes y estudiar sus funciones dentro del ecosistema.

A partir de los datos obtenidos se realizó el estudio de diversidad alfa, la determinación de grupos microbianos dominantes y su aporte a nivel de función en el ecosistema, este último se realizó identificando los genes asociados a distintas rutas metabólicas a partir de las secuencias ensambladas (números KO – ortólogos de KEGG – Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes).

Los resultados de diversidad alfa muestran que los mayores valores en los índices Shannon, Chao1 y Simpson se presentan en el tramo bajo de la quebrada Yahuarcaca, seguido del tramo alto y medio (Figura 3A), lo cual sugiere una posible distribución espacial de la diversidad microbiana que puede estar influenciada por factores ambientales y ecológicos específicos de cada tramo como los gradientes ambientales, hidromorfología, interacción con el entorno adyacente, disturbios y competencia, entre otros (Mansour et al., 2018; Geng et al., 2024).

Con respecto a la composición bacteriana, se encontró que los grupos de bacterias más comunes en los tres tramos de la quebrada Yahuarcaca fueron Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Actinomycetia y Bacilli. En la zona baja de la quebrada se observó la mayor diversidad de bacterias, con seis grupos principales: Acidimicrobiia, Actinomycetia, Armatimonadia, Bacilli, Alphaproteobacteria y Gammaproteobacteria. En las muestras de la parte alta, predominan las bacterias del grupo Actinomycetia, mientras que en la parte media eran más comunes las Gammaproteobacteria. Además, se observó un cambio interesante: en la zona media, las Actinomycetia disminuyeron mientras que las Gammaproteobacteria aumentaron (Figura 2).

En relación con las rutas metabólicas analizadas por clase bacteriana en los distintos tramos de la quebrada, se observó que, en general, las comunidades microbianas mostraron un mayor grado de representación completa de las rutas relacionadas con el metabolismo heterótrofo (representado en verde oscuro) (Figura 3). No se observaron cambios significativos en la representación completa de las rutas metabólicas entre los diferentes tramos de la quebrada. Sin embargo, algunos taxones específicos, como Acidimicrobiia, mostraron una baja representación de genes clave para la ruta Entner-Doudoroff, una vía metabólica importante que podría proporcionar ventajas en la obtención de carbono y energía en condiciones de limitación de nitrógeno (Conway, 1992) (Figura 3).

Otro aspecto importante, es la presencia de rutas asociadas a la fijación de CO2, realizada por procariotas capaces de crecer de forma autótrofa, estos organismos desempeñan una función esencial en los ecosistemas al proporcionar un suministro continuo de carbono orgánico para los heterótrofos. Entre las rutas metabólicas asociadas a la fijación de CO2 se encuentran principalmente la ruta reductiva del citrato, en la cual se favorece la fijación de dos moléculas de CO2  y la producción de una molécula de acetil-CoA y el ciclo reductor de la pentosa fosfato (ciclo de Benson-Calvin), la principal vía bioquímica para la conversión del CO2 atmosférico en compuestos orgánicos (Figura 3).

Se evaluaron otras características funcionales para analizar los cambios en la composición funcional de las comunidades bacterianas a lo largo de la quebrada. La figura 5 ilustra la contribución de cada clase bacteriana a las funciones metabólicas en los diferentes tramos. Se observó que Gammaproteobacteria fue la clase con mayor contribución en las funciones relacionadas con la conversión de alcoholes, sin importar el tramo evaluado. En contraste, Bacilli tuvo una contribución única en la transformación de butirato (Butyrate 1-2) en los tramos alto y bajo, y en la conversión de piruvato a formato en el tramo bajo.

Respecto a la transformación de carbohidratos complejos (CAZy), Actinomycetia fue la clase dominante en el tramo alto, mientras que, en los tramos medio y bajo, la contribución variaba entre las distintas clases bacterianas presentes. Las funciones relacionadas con metanogénesis estuvieron principalmente asociadas a Gammaproteobacteria, especialmente en los tramos medio y bajo. Además, esta clase también desempeñó un papel significativo en el metabolismo del nitrógeno en los tramos alto y medio, mientras que en el tramo bajo, Actinomycetia también mostró una importante contribución (Figura 4).

Finalmente, cabe resaltar que, se encontró potencial para la reducción de arsenato y mercurio en la parte alta y baja de la quebrada (Figura 4- Other reductases); pero estas funciones estuvieron asociadas a Actinomycetia y Alphaproteobacteria, respectivamente. Además, se observó un crecimiento en la cobertura de las funciones relacionadas con el metabolismo del azufre (Figura 5). Estos resultados evidencian la redundancia funcional presente en las comunidades bacterianas (Louca et al., 2018) y, a su vez, algunas capacidades específicas de algunos grupos taxonómicos.

Los patrones de los perfiles funcionales de cada clase parecen ser consistentes en los diferentes tramos de la quebrada; tal es el caso de Actinomycetia, Acidimicrobia y Bacilli. En el caso de Gammaproteobacteria, que presentó mayor cobertura de funciones, la mayor cantidad fue cubierta en el tramo medio, donde también se registraron mayor número de MAGs. Esto último podría evidenciar que esta clase bacteriana podría albergar mayor diversidad funcional en comparación con las demás clases encontradas. Aquí vale la pena mencionar que, la función que estuvo presente en todos los MAGs a lo largo de la quebrada fue la conversión de acetato a metano (únicamente ausente en la clase Bacilli); lo que significa que fue la función más ampliamente distribuida y con mayor potencial dentro de la comunidad bacteriana acuática (Figura 6).

Estos resultados dependen en gran medida de la cobertura lograda para cada ecosistema. La descripción mostrada aquí podría mejorar disminuyendo el umbral de aceptación para la completitud y la contaminación de cada uno de los bins ensamblados. Esto ampliará la diversidad tanto taxonómica como funcional reduciendo un poco el poder de resolución en la clasificación de los MAGs, es decir, sin poder llegar a nivel de especie.

En conclusión, este estudio proporciona una visión integral de la diversidad microbiana y funcional a lo largo de la quebrada Yahuarcaca, destacando patrones espaciales en diversidad alfa, composición taxonómica y capacidades metabólicas. Además, los perfiles funcionales indican que el metabolismo heterótrofo y la fijación de CO2 son funciones centrales en los ecosistemas evaluados, mientras que la transformación de compuestos específicos, como butirato o piruvato, revela contribuciones únicas de ciertos taxones en tramos particulares. Finalmente, la alta redundancia funcional observada, combinada con capacidades específicas como la reducción de metales pesados y el metabolismo del azufre, resalta la resiliencia y adaptabilidad de estas comunidades bacterianas frente a cambios ambientales.