Development and optimization of tungsten-accumulator bacteria as biotools for raw materials recovery

Abstract

Diversas actividades antropogénicas libertam metais no meio ambiente, o que se tem vindo a tornar um problema grave. Microorganismos modificados podem ser usados como ferramentas promissoras de biorremediação para limpar áreas contaminadas por metais. O tungstênio (W) é um elemento de transição, com alta densidade que é usado em várias indústrias em todo mundo. Alguns microorganismos têm a capacidade de utilizar esse elemento como cofator para enzimas. Eles são capazes de transportar W para dentro das células usando o transportador de tungstênio altamente específico tupABC, que é constituído pela TupA (proteína de ligação W), TupB (proteína formadora de poros transmembranares) e TupC (ATPase periplasmática). Neste estudo, o grupo de genes tupABC da estirpe Sulfitobacter dubius NA4 foi usado para realizar várias construções genéticas na estirpe Escherichia coli DH5α. Foram construídos cinco clones diferentes, tupA_1 (gene completo tupA), tupA_2 (tupA sem sequência de endereçamento), tupA_3 (tupA com sequência de endereçamento do gene ompA), tupBC e tupBCA. Todos os clones foram testados quanto à capacidade de absorção de tungstênio, molibdênio (Mo) e crómio, utilizando diferentes métodos de quantificação de metais. A técnica de ICP-MS foi utilizada como abordagem padrão para a quantificação de W e Mo e os métodos DPC adaptado e ácido tânico foram utilizados como métodos espectrofotométricos para quantificação de W e Mo, respectivamente. O método DPC padrão foi usado para quantificação de cromato. Neste trabalho, concluímos que o clone tupBCA apresentou a maior capacidade de absorção W e Mo quando comparado com os outros clones. Embora a sua capacidade fosse mais relevante para W do que para o Mo. Em conclusão, estes resultados confirmaram que o sistema tupABC é o principal mecanismo de transporte de W para as células e a presença da proteína de ligação ao W é essencial para melhorar a absorção de W pelas células bacterianas. Em relação às técnicas alternativas para quantificação de W e Mo, ambos os métodos espectrofotométricos foram úteis na quantificação de metais, embora tenham mostrado algumas limitações, como a baixa sensibilidade à concentração de metais.

Several anthropogenic activities have released metals in the environment, which has become a serious issue. Modified microorganisms can be used as promising bioremediation tools to clean metal contaminated areas. Tungsten (W) is a transition element, with a high density that is used in several industries around the world. Some microorganisms have the capacity to use this element as cofactor in their enzimes. They are able to transport W into the cells using the highly specific tungsten transporter tupABC, which is constituted by the TupA (W binding protein), TupB (transmembrane pore forming protein) and TupC (periplasmatic ATPase). In this study the tupABC gene cluster of strain Sulfitobacter dubius NA4 was used to perform several genetic constructions in the strain Escherichia coli DH5α. Five different clones were constructed, tupA_1 (tupA full gene), tupA_2 (tupA without addressing sequence), tupA_3 (tupA with ompA gene addressing sequence), tupBC and tupBCA. All the clones were tested to tungsten, molybdenum (Mo) and chromium uptake capability using different metal quantification methods. ICP-MS was used as the standard approach for W and Mo quantification and the adapted DPC and the tannic acid methods were used as spectrophotometric methods for W and Mo quantification, respectively. The standard DPC method was used for chromate quantification. In this work, we concluded that clone tupBCA showed the highest ability to accumulate W and Mo when compared with the other clones. Though its capability was more relevant for W than Mo. In conclusion, these results confirmed that the tupABC system is the main W-transport mechanism to the cells and the presence of the W-binding protein is essential to improve the W uptake by bacterial cells. Moreover, in regard of the alternative techniques for W and Mo quantification, both spectrophotometric methods were useful in metal quantification, although they had shown some limitations, such as their low metal concentration sensitivity.