New bacterial strategies for Tellurium bioleaching and high value nanoparticles production

Abstract

A relevância bioquímica de um determinado elemento natural nem sempre está alinhada com a importância que o mesmo tem para a atividade humana. É o caso do telúrio, metaloide com crescente importância para a sociedade, mas com um papel considerado irrelevante na biologia. Os estudos da interação de Te com organismos vivos são antigos, e focam principalmente a toxicidade das formas naturais de Te e a resistência desenvolvida pelos seres vivos aos seus efeitos tóxicos. Isto levou a um foco na investigação relacionada com a clínica nos primeiros anos da bio-investigação em Te. Atualmente, o interesse na bio-investigação em Te é mais amplo, com foco mudando para a mobilização de Te e a bioredução das formas iónicas solúveis do metaloide. Esta mudança recente nos temas de investigação é, sobretudo, resultado do interesse na mineração de Te e na produção de nanoestruturas contendo Te para a indústria. A abundância natural do Te é equivalente à dos elementos de terras raras e sua procura está a aumentar, portanto, todas as alternativas para a recuperação de Te de materiais descartados e minérios de baixo teor (resídos resultantes da exploração de outros elementos) de Te são apelativas. A biolixiviação e a mobilização seletiva assistida por micróbios são técnicas que se mostraram eficazes na mineração de minérios com baixo teor e são de interesse para a indústria mineira, uma vez que a maioria das fontes de Te globalmente também são de baixo teor e, portanto, um desafio comercial. A procura da indústria por produtos que contenham Te aumenta com o crescimento dos setores. A incorporação de Te em produtos fotovoltaicos, sondas fluorescentes para diagnóstico e nanopartículas em geral exige novos materiais assim como novos processos de fabricação. A produção de nanopartículas por organismos vivos ou produtos de organismos vivos está a afetar a indústria transformadora, introduzindo novos produtos ou metodologias de produção “verdes”, alinhados com a agenda atual de desenvolvimento sustentável. Neste trabalho, uma triagem inicial de sedimentos de mineração revelou a existência de estirpes bacterianas com elevada atividade de mobilização de Te, que ao atuar em consórcio melhoram a biolixiviação realizada por uma comunidade microbiana nativa. O mesmo método de triagem para bactérias originárias de material descartado rico em metais revelou a presença de um elevado número de estirpes resistentes a Te (IV) com diferentes capacidades de redução de Te (IV), capazes de produzir estruturas contendo Te, e com potencial de resistência a Te (IV) variável. A análise detalhada dos elementos no genoma conferentes de resistência e redução de Te (IV) nas estirpes Paenibacillus pabuli ALJ109b e Bacillus altitudinis 3W19, bem como a variação metabólica, demonstrada por proteómica diferencial, revelou diferentes estratégias de resposta ao impacto metabólico e stress oxidativo resultantes da exposição a Te (IV). Podem ser observadas diferenças na expressão das vias metabólicas, na sua maioria únicas para cada bactéria, e apenas com sobreposição parcial ao que é observado para outros metais. A interpretação detalhada da expressão de proteínas específicas demonstrou estratégias comuns entre as duas estirpes, como a ativação dos determinantes psp para o controlo redox. No entanto, cada estirpe bacteriana ativa mecanismos de resposta específicos, como os determinantes de resistência a Te (IV), ter, que foram sobreexpressos por B. altitudinis 3W19. A capacidade de redução de Te (IV), explorada em detalhe em P. pabuli ALJ109b, revelou o envolvimento da proteína flagelina na produção de nano estruturas contendo Te. A atividade desta proteína é superior à observada para a maioria das proteínas estudadas com capacidade de redução de Te (IV), demonstrando atividade ótima a pH 9 e temperatura ambiente. Esta tese expande a coleção de organismos conhecidos com resistência e capacidade de redução de Te (IV), revelando esta característica pela primeira vez em alguns géneros. Além disso, a resposta metabólica ao Te (IV) em estirpes de Bacillus e Paenibacillus é, pela primeira vez, revelada por uma abordagem usando múltiplas técnicas. Isto permitiu a comparação de metabolismos específicos e a associação de proteínas individualmente assim como agrupamentos genéticos com os efeitos fenotípicos observados pela exposição ao Te (IV). Finalmente, a caracterização da capacidade da flagelina de P. pabuli ALJ109b reduzir Te (IV) revela o potencial de uma abordagem de base biológica para a produção de nanopartículas de Te. No geral, esta tese contribuiu para o crescente conhecimento sobre a bioquímica de Te e oferece ferramentas biológicas a serem exploradas e otimizadas na mobilização e produção de nanopartículas de Te.

The biochemical importance of a given natural element does not always align with the significance it has for human activity. This is the case of tellurium, a metalloid with increasing importance for society but with limited known roles in biology. The studies of Te interaction with living organisms is old but it focused mainly on the toxicity of the natural forms of Te and the resistance developed by living beings to its toxic effects. This has led to a focus on clinical related research in the first years of Te related bioresearch. Nowadays, the interest in Te bioresearch is broader, with the focus shifting to Te mobilization and bioreduction of soluble ionic forms of the metalloid. This recent change in research topics is mainly the result of interest in Te mining and the production of Te containing nanostructures for the industry. Te abundance in Nature is a par with that of rare earth elements, its demand is increasing, therefore, every alternative for Te recuperation from discarded materials, and low Te grade ores (resulting residues from mining of other elements) is enticing. Bioleaching and microbial assisted selective mobilization are techniques that have proven effectiveness in low grade ore mining and are of interest in Te mining since most sources of Te worldwide are also low grade and thus commercially challenging. The industry demand for Te containing products is impacted, positively, by the growing tech sectors. Incorporation of Te in photovoltaic products, fluorescent probes for diagnostic and overall nanoparticles demands new materials and often new fabrication processes. Production of nanoparticles by living organisms, or products of living organisms, is changing the manufacturing industry introducing new products or “green” production methodologies, that align with the current agenda of sustainable development. In this work, an initial screening of mining sediments revealed the existence of bacterial strains with high Te mobilization activity, that when acting in a consortium, improve the bioleaching performed by a natural microbial community. The same method of screening for bacteria, originated from metal impacted discarded material, revealed an high number of Te (IV) resistant strains with different Te (IV) reducing abilities, able to produce Te containing structures and with varying Te (IV) resistance potential. Detailed analysis of the genetic potential for Te (IV) resistance and reduction in the strains Paenibacillus pabuli ALJ109b and Bacillus altitudinis 3W19, as well as the metabolic variation demonstrated by differential proteomic, reveals different strategies of dealing with the metabolic impact and oxidative stress resulting from Te (IV) exposure. Differences can be observed on the expression of metabolic pathways, in most part, unique for each bacteria and only partially overlapping to what is seen for other metals. Detailed interpretation of specific protein expression demonstrated common strategies between the two strains, such as the activation of the psp determinants for redox control. Nevertheless, each bacterial strain activates specific response mechanisms, such as the Te (IV) resistance determinants ter overexpressed by B. altitudinis 3W19. The Te (IV) reducing ability, explored in detail in P. pabuli ALJ109b, revealed the involvement of the protein flagellin in the production of Te nanostructure. This protein activity is better than what is observed for most explored proteins with Te (IV) reducing ability, with optimal activity observed at pH 9 and room temperature. This thesis expands the collection of known organisms with Te (IV) resistance and reduction ability and reveal this characteristic for the first time in some genus. Moreover, the metabolic response to Te (IV) in Bacillus and Paenibacillus strains is, for the first time, revealed by a multi technique approach. This allowed the comparison of specific metabolisms and link individual proteins and genetic clusters to phenotypical observable effects of Te (IV) exposure. Finally, the characterization of P. pabuli ALJ109b flagellin ability to reduce Te (IV) reveals the potential of a bio-based approach of Te nanoparticle production. In overall, this thesis contributed to the growing know-how on Te biochemistry and offers biological tools to be explored and optimized in Te mobilization and nanoparticle production.