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Type: Tese
Title: Caracterização genômica dos profagos e elementos parecidos com profagos nas bactérias láticas do gênero Weissella
Other Titles: Genomic characterization of prophages and phage-like elements in lactic acid bacteria of the genus Weissella
Authors: Cesar da Silva Santana Moura
First Advisor: Álvaro Cantini Nunes
First Co-advisor: Patrícia Costa Lima da Silva
First Referee: Alvaro Cantini Nunes
Second Referee: Gabriel Magno de Freitas Almeida
Third Referee: Paula Luize Camargos Fonseca
metadata.dc.contributor.referee4: Savio Henrique de Cicco Sandes
metadata.dc.contributor.referee5: João Locke Ferreira de Araújo
Abstract: Bactérias ácido láticas (BAL) constituem um grupo de microrganismos amplamente distribuídos em alimentos e na microbiota de humanos e animais. Ao longo das décadas, essas bactérias desempenharam um papel fundamental na indústria de alimentos, servindo como culturas fermentadoras essenciais. Mais recentemente, elas emergiram como agentes probióticos, oferecendo benefícios à saúde humana. O gênero Weissella, pertencente às BAL, ainda não possui membros caracterizados como probióticos. No entanto, destaca-se como uma área de pesquisa intrigante, uma vez que algumas de suas linhagens têm demonstrado potencial para serem caracterizados como probióticos. E dentre esses candidatos, a caracterização de seus profagos, que desempenham um papel vital na transferência de genes e na modulação das comunidades microbianas, permanece notavelmente subexplorada. Neste estudo, adotamos uma abordagem abrangente que incluiu 313 genomas disponíveis no banco de dados do National Center for Biotechnology Information (NCBI) e o sequenciamento, anotação e análise funcional dos genomas de três novas linhagens de Weissella: W. cibaria 1BM, W. confusa GIR46L4 e W. paramesenteroides V3B-11. Nossos resultados revelaram uma característica intrigante das Weissella: a presença de sistemas de restrição e modificação de sequências, como RM/DRUANTIA/DISARM, que desempenham um papel vital na defesa contra fagos. Esses sistemas promovem a coevolução entre as bactérias e os fagos, facilitando a incorporação de profagos e genes virais em seus genomas e a modificação dos profagos já existentes. Esta dinâmica é crucial para a sobrevivência dessas bactérias em ambientes desafiadores e para sua capacidade de competir eficazmente com outras espécies bacterianas. Outro aspecto relevante abordado foi a análise do sistema CRISPR-Cas. Detectamos variações em sua ocorrência e eficácia entre as diferentes espécies de Weissella. O gênero, em geral, apresenta sistemas CRISPR-Cas menos desenvolvidos, com a exceção notável da espécie W. soli, que apresentou dois subtipos distintos desse sistema. No entanto, a presença de espaçadores em número limitado em algumas espécies sugere uma possível limitação na capacidade de combate a fagos. Além disso, identificamos a preservação de profagos específicos em diferentes espécies de Weissella, destacando a riqueza e complexidade da diversidade genética presente nesses microrganismos. Quando se trata de resistência a antibióticos, nossa investigação não encontrou genes com alta identidade que representassem um risco significativo de transferência genética horizontal. A maioria dos genes de virulência compartilhava semelhanças com genes virais estruturais, sem alta identidade. Também identificamos proteínas virais com potencial em aplicações biomédicas, ampliando as possíveis utilizações desses microrganismos. Em resumo, este estudo proporciona uma compreensão mais profunda dos profagos em bactérias do gênero Weissella, destacando seu papel na evolução bacteriana e apontando para uma relativa segurança em relação à disseminação de genes de importância clínica. Este estudo aborda uma lacuna na pesquisa relacionada ao gênero Weissella, seus profagos e suas implicações biológicas. Diante da crescente relevância das bactérias ácido láticas (BAL) e dos fagos, bem como do interesse no potencial biotecnológico das Weissella, nosso objetivo foi contribuir para a classificação do gênero como status GRAS (Generally Recognized As Safe) ou status QPS (Qualified Presumption of Safety). Essa abordagem fornece insights importantes sobre as interações fago-bactéria, com implicações significativas para a segurança e aplicações biotecnológicas das Weissella.
Abstract: Lactic acid bacteria (LAB) constitute a group of microorganisms widely distributed in food and the microbiota of humans and animals. Over the decades, these bacteria have played a fundamental role in the food industry, serving as essential fermenting cultures. More recently, they have emerged as probiotic agents, offering health benefits to humans. The genus Weissella, belonging to LAB, does not yet have members characterized as probiotics. Despite this, it stands out as an intriguing research area, as some of its strains have shown potential to be characterized as probiotics. Nevertheless, the characterization of their prophages, which play a vital role in gene transfer and the modulation of microbial communities, has remained notably underexplored. In this study, we adopted a comprehensive approach that included 313 genomes available at the National Center for Biotechnology Information (NCBI) and the sequencing, annotation, and functional analysis of the genomes of three new Weissella strains: Weissella cibaria 1BM, Weissella confusa GIR46L4, and Weissella paramesenteroides V3B-11. Our results revealed an intriguing feature of Weissella: restriction-modification systems, such as RM/DRUANTIA/DISARM, which play a vital role in defense against phages. These systems promote coevolution between bacteria and phages, facilitating the incorporation of prophages and viral genes into their genomes and modifying existing prophages. This dynamic is crucial for the survival of these bacteria in challenging environments and their ability to compete effectively with other bacterial species. Another relevant aspect addressed was the analysis of the CRISPRCas system. We detected variations in its occurrence and effectiveness among different Weissella species. The genus generally presents less developed CRISPR-Cas systems, with the notable exception of the Weissella soli species, which exhibited two distinct subtypes of this system. However, the limited number of spacers in some species suggests a potential limitation in their ability to combat phages. Additionally, we identified the preservation of specific prophages in different Weissella species, highlighting the richness and complexity of the genetic diversity present in these microorganisms. Concerning antibiotic resistance, our investigation did not find genes with high identity representing a significant risk of horizontal gene transfer. Most virulence genes shared similarities with structural viral genes but lacked high identity. We also identified viral proteins with potential biomedical applications, expanding the possible uses of these microorganisms. In summary, this study provides a deeper understanding of prophages in Weissella bacteria, highlighting their role in bacterial evolution and pointing to relative safety regarding the dissemination of clinically important genes. This study addresses a gap in research related to the Weissella genus, its prophages, and their biological implications. Given the increasing relevance of LAB and phages, as well as the interest in the biotechnological potential of Weissella, our goal was to contribute to the classification of the genus as GRAS (Generally Recognized As Safe) or QPS (Qualified Presumption of Safety) status. This approach offers important insights into phage-bacteria interactions, with significant implications for the safety and biotechnological applications of Weissella.
Subject: Genética
Probióticos
Weissella
Prófagos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Genética
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/64699
Issue Date: 27-Oct-2023
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