O uso de bactérias para biorremediação de ambientes contaminados com tolueno: uma análise molecular por docking

Autores

DOI:

https://doi.org/10.5902/2179460X68835

Palavras-chave:

BTXs, Proteínas, Combustíveis

Resumo

As bactérias podem ser organismos úteis para a descontaminação ambiental através de processos de biorremediação. Dentre os contaminantes ambientais, o tolueno é um dos compostos presentes na gasolina e pode ser tóxico no ambiente aquático, causando danos significativos aos organismos deste ecossistema. A compreensão detalhada sobre as principais proteínas e processos envolvidos em rotas celulares de biorremediação é pouco explorada, o que encoraja os estudos na área para a otimização desses processos. Sabe-se que o sistema transportador ABC está envolvido no transporte de uma ampla variedade de compostos inorgânicos e de moléculas orgânicas complexas. O docking molecular (DM) é uma metodologia in silico na qual unem-se duas moléculas (receptor versus ligante) e verifica-se características químicas dessa ligação. Desse modo, o objetivo desse estudo foi avaliar, através da ferramenta de docking molecular, a interação entre o tolueno e transportadores ABC das espécies bacterianas de Staphylococcus aureus e Thermotoga maritima, possibilitando identificar espécies promissoras para a biorremediação do tolueno. Para o DM utilizou-se os softwares UCFS Chimera (para eliminação de heteroátomos e produção das imagens em 3D), AutoDock Tools (para preparação das proteínas e do tolueno para o docking), AutoDock Vina (para o docking per se) e LigPlot + (para verificação de aminoácidos e tipos de ligação entre moléculas). A energia de ligação entre os transportadores ABC e o tolueno foi semelhante para ambas as espécies, sendo para S. aureus -5.2 Kcal/mol e para T. maritima -5.5 Kcal/mol. O número de aminoácidos do transportador que se ligaram ao tolueno foi diferente para as duas espécies: S. aureus uniu-se através de três aminoácidos, enquanto T. maritima uniu-se através de sete aminoácidos. Os resultados apresentados nesse estudo demonstram que ambas as espécies avaliadas são promissoras para estudo in vitro e in vivo para biorremediação do tolueno.

Downloads

Não há dados estatísticos.

Biografia do Autor

Eduarda Medran Rangel, Instituto Federal Sul-rio-grandense

Science Professor at the Rio Grande City. Environmental Management and Environmental Sanitation degree at the Instituto Federal Sul-rio-grandense, and a degree in Chemistry from the Universidade de Franca. Specialization in Urban Environmental Education by the `Programa Universidade Aberta do Brazil, Specialization in Environmental Chemistry by the Instituto Federal Sul-rio-grandense. Master's and PhD in Materials Science and Engineering by the Universidade Federal de Pelotas.

Estela Fernandes e Silva, Prefeitura Municipal de Rio Grande, Rio Grande, RS

Biotechnology degree by the Universidade Federal de Pelotas, Biology degree by the Universidade de Franca, Master's and PhD from the Postgraduate Program in Physiological Sciences of the Universidade Federal de Rio Grande.

Karine Laste Macagnan, Prefeitura Municipal de Rio Grande, Rio Grande, RS, Brazil

Biotechnology degree by the Universidade Federal de Pelotas and Pedagogical Training in Biology by the Universidade de Franca. Master's and PhD in Sciences by the Graduate Program in Biotechnology by the Universidade Federal de Pelotas.

Louise Vargas Ribeiro, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, RS

Degree in Biological Sciences by the Universidade Federal de Pelotas, Pedagogical Training by the from the Instituto Federal Sul-rio-grandense (IFSUL), and a Specialization in Environmental Chemistry (IFSUL). Master´'s and PhD in Agronomy from the Universidade Federal de Pelotas.

Tainã Figueiredo Cardoso, Embrapa Pecuária Sudeste, Pelotas, RS

Biotechnology degree at the Federal Universidade Federal de Pelotas, Master's in Physiological Sciences - Comparative Animal Physiology from the Universidade Federal de Rio Grande, and PhD in Animal Production from the Universitat Autònoma de Barcelona.

Daiana Kaster Garcez, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, RS

Science Professor at the Rio Grande City. Master's and PhD in Biology of Continental Aquatic Environments by the Universidade Federal de Rio Grande. Biological Sciences degree with emphasis in Zoology by the Universidade Federal de Pelotas, and a Licentiate in Biological Sciences from the Instituto Federal Sul-Rio-Grandense.

Referências

AFROUZOSSADAT, H. A.; EMTIAZI, G.; GHASEMI, S. M.; ROGHANIAN, R. Isolation and characterization of a novel toluene-degrading bacterium exhibiting potential application in bioremediation. Jundishapur Journal of Microbiology, v. 6, p. 256-261, 2013. https://doi.org/10.5812/jjm.5142

AN, Y. J.; LEE, W. M. Comparative and combined toxicities of toluene and methyl tert-butyl ether to an Asian earthworm Perionyx excavatus. Chemosphere, v. 71, n. 3, p. 407-411, 2008. https://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2007.11.010

BEHERA, B. K.; CHAKRABORTY, H. J.; PATRA, B.; ROUT, A. K.; DEHURY, B.; DAS, B. K, SARKAR, D. J.; PARIDA, P. K.; RAMAN, R. K.; RAO, A. R.; RAI, A.; MOHAPATRA, T. Metagenomic Analysis Reveals Bacterial and Fungal Diversity and Their Bioremediation Potential From Sediments of River Ganga and Yamuna in India. Frontiers in Microbiology, v. 11, p. 1-14, 2020. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.556136

BERMAN, H. M.; WESTBROOK, J.; FENG, Z.; GILLILAND, G.; BHAT, T. N.; WEISSIG, H.; SHINDYALOV, I. N.; BOURNE, P. E. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Research, v. 28, p. 235-242, 2000. https://doi.org/10.1093/nar/28.1.235

BOLTON, E.; WANG, Y.; THIESSEN, P. A.; BRYANT, S. H. PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities. In: WHEELER, Ralph A.; SPELLMEYER, David C. (Eds.). Annual Reports in Computational Chemistry, Oxford, UK: Elsevier, p. 217-241, 2018. https://doi.org/10.1016/S1574-1400(08)00012-1

CLÉMENT, B.; CADIER, C. Development of a New Laboratory Freshwater/sediment Microcosm Test. Ecotoxicology, v. 7, n. 5, p. 279-290, 1998. https://dx.doi.org/10.1023/a:1008868330206

CONNERS, S. B.; MONGODIN, E. F.; JOHNSON, M. R.; MONTERO, C. I.; NELSON, K. E.; KELLY, R. M. Microbial biochemistry, physiology, and biotechnology of hyperthermophilic Thermotoga species. FEMS Microbiology Reviews, n. 30, p. 872–905, 2006. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2006.00039.x

DU, X.; LI, Y.; XIA, Y. L.; AI, S. M.; LIANG, J.; SANG, P.; JI, X. L.; LIU, S. Q. Insights into Protein-Ligand Interactions: Mechanisms, Models, and Methods. International Journal of Molecular Sciences, v. 17, n. 2, p. 1-34, 2016. https://doi.org/10.3390/ijms17020144

FIELD, J. A.; SIERRA, A. R. Microbial transformation of chlorinated benzoates. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, v. 7, p. 191–210, 2008. https://doi.org/10.1007/s11157-008-9133-z

GILBERT, W. Toward the proteome. Science Today, v. 29, n. 173, p. 8-11, 2001.

GODDARD, T. D.; HUANG, C. C.; MENG, E. C.; PETTERSEN, E. F.; COUCH, G. S.; MORRIS, J. H.; FERRIN, T. E. UCSF ChimeraX: Meeting modern challenges in visualization and analysis. Protein Science, v. 27, n. 1, p. 14-25, 2018. https://doi.org/10.1002/pro.3235

GOFFEAU, A.; HERTOGH, B. D. ABC Tranporters. Encyclopedia of Biological Chemistry, p. 7-11, 2013. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-378630-2.00224-3

GUEDES, I. A.; DE MAGALHÃES, C. S.; DARDENNE, L. E. Receptor-ligand molecular docking. Biophysical Reviews, v. 6 (1), p. 75-87, 2014. https://doi.org/10.1007/s12551-013-0130-2

HEYDARNEZHAD, F.; HOODAJI, M.; SHAHRIARINOUR, M.; TAHMOURESPOUR, A.; SHARIATI, S. Optimizing toluene degradation by bacterial strain isolated from oil-polluted soils. Polish Journal of Environmental Studies, v. 27, n.2, p. 655-663, 2018. https://doi.org/10.15244/pjoes/75811

HUBER, R.; LANGWORTHY, T.; KÖNIG, H.; THOMM, M.; WOESE, C.; SLEYTR, U.; STETTER, K. Thermotoga maritima sp. nov. represents a new genus of unique extremely thermophilic eubacteria growing up to 90°C. Archives of Microbiology, v. 144, p. 324–333, 1986. https://doi.org/10.1007/BF00409880

ITOPF. The International Tanker Owners Pollution Federation Limited - Oil tanker spill statistics:2009. p. 1-8, 2009.

JOHNSON, G. R.; OLSEN, R. H. Multiple pathways for toluene degradation in Burkholderia sp. strain JS150. Applied and Environmental Microbiology Journal, v. 63, n. 10, p. 4047–4052, 1997. https://doi.org/10.1128/AEM.63.10.4047-4052.1997

KHAN, F.; SAJID, M.; CAMEOTRA, S. S. In-silico approach for the bioremediation of toxic pollutants. Journal of Petroleum & Environmental Biotechnology, n.4, p. 1-7, 2013. https://doi.org/10.4172/2157-7463.1000161

KIM, J. M.; JEON, C. O. Isolation and characterization of a new benzene, toluene, and ethylbenzene degrading bacterium, Acinetobacter sp. B113. Current Microbiology, v. 58, p. 70–75, 2009. https://doi.org/10.1007/s00284-008-9268-8

LATIF, H.; SAHIN, M.; TARASOVA, J.; TARASOVA, Y.; PORTNOY, V. A.; NOGALES, J.; ZENGLER, K. Adaptive Evolution of Thermotoga maritima Reveals Plasticity of the ABC Transporter Network. Applied and Environmental Microbiology Journal, v. 81, n. 16, p. 5477-5485, 2015. https://doi.org/10.1128/AEM.01365-15

LI, X. D.; TU, H.W.; HU, K. Q.; LIU, Y. G.; MAO, L. N.; WANG, F. Y.; QU, H. Y.; CHEN, Q. Effects of Toluene on the Development of the Inner Ear and Lateral Line Sensory System of Zebrafish. Biomedical and Environmental Sciences, v. 34, n. 2, p. 110-11, 2021. https://doi.org/10.3967/bes2021.016

LIU, Z.; LIU, Y.; ZENG, G.; SHAO, B.; CHEN, M.; LI, Z.; JIANG, Y.; LIU, Y.; ZHANG, Y.; ZHONG, H. Application of molecular docking for the degradation of organic pollutants in the environmental remediation: A review. Chemosphere, v. 203, p. 139-150, 2018. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.03.179

MEYER, C. I.; MARTINEZ, L.; MARIN, C. V.; BÖHNKE, S.; HARMS, H.; MÜLLER, J. A.; HEIPIEPER, H, J. Isolation and characterization of Magnetospirillum sp. strain 15-1 as a representative anaerobic toluenedegrader from a constructed wetland model. Plos One, v. 12, p. 1–16, 2017. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28369150

NAKAI, C.; KAGAMIYAMA, H.; NOZAKI, M.; NAKAZAWA, T.; INOUYE, S.; EBINA, Y.; NAKAZAWA, A. Complete nucleotide sequence of the metapyrocatechase gene on the TOI plasmid of Pseudomonas putida mt-2. Journal of Biological Chemistry, v. 258, p. 2923-2928, 1983.

ORELLE, C.; MATHIEU, K.; JAULT, J. M. Multidrug ABC transporters in bacteria. Research in Microbiology, v. 170, n. 8, p. 381-391, 2019. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2019.06.001

OYETIBO, G. O.; MIYAUCHI, K.; HUANG, Y.; CHIEN, M. F.; ILORI, M. O.; AMUND, O. O.; ENDO, G. Biotechnological remedies for the estuarine environment polluted with heavy metals and persistent organic pollutants. International Biodeterioration & Biodegradation, v. 119, p. 614–625, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.10.005

PARSEK, M. R.; MCFALL, S. M.; CHAKRABARTY, A. M. Microbial degradation of toxic environmental pollutants: ecological and evolutionary considerations. International Biodeterioration & Biodegradation, v. 35, n. 1-3, p. 332, 1995. https://doi.org/10.1016/0964-8305(95)90033-0

PEREZ, S.; ROSA, M.; ABALOS, A.; GOMEZ, J. M.; CANTERO, M. D. Biodegradation of crude oil by Pseudomonas aeruginosa AT18 strain. Tecnología Química, v. XXVI, n. 1, p. 70-77, 2006.

RAJAMANICKAM, R.; KALIYAMOORTHI, K.; RAMACHANDRAN, N.; BASKARAN, D.; KRISHNAN, J. Batch biodegradation of toluene by mixed microbial consortia and its kinetics. International Biodeterioration & Biodegradation, v. 119, p. 282–288, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.11.014

SAMS, C.; LOIZOU, G. D. A.; COCKER, J. A.; LENNARD, M. S. Metabolism of ethylbenzene by human liver microsomes and recombinant human cytochrome P450s (CYP). Toxicology Letters, v. 147, n. 3, p. 253-260, 2004. https://dx.doi.org/10.1016/j.toxlet.2003.11.010

SANTOS, A. L. SANTOS, D. O.; FREITAS, C. C.; FERREIRA, B. L. A.; AFONSO, I. F.; RODRIGUES, C. R.; CASTRO, H. C. Staphylococcus aureus: visiting a strain of hospital importance. Brazilian Journal of Pathology and Laboratory Medicine, Rio de Janeiro, v. 43, n. 6, p. 413-423, 2007. https://doi.org/10.1590/S1676-24442007000600005

SCHRÖDINGER, L. L. C. 2015. The PyMOL Molecular Graphics System. Version 1.80 LLC, New York, NY.

SHINODA, Y.; SAKAI, Y.; UENISHI, H.; UCHIHASHI, Y.; HIRAISHI, A.; YUKAWA, H.; YURIMOTO, H.; KATO, N. Aerobic and anaerobic toluene degradation by a newly isolated denitrifying bacterium, Thauera sp. strain DNT-1. Applied and Environmental Microbiology Journal, v. 70, p. 1385-1392, 2004. https://doi.org/10.1128/AEM.70.3.1385-1392.2004

SHUKLA, S. K.; HARIHARAN, S.; RAO, T. S. 2020. Uranium bioremediation by acid phosphatase activity of Staphylococcus aureus biofilms: Can a foe turn a friend? Journal of Hazardous Materials, v. 384, p. 1-21, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121316

SRIDHAR, S.; CHINNATHAMBI, V.; ARUMUGAM, P.; SURESH, P. K. In silico and in vitro physicochemical screening of Rigidoporus sp. crude laccase-assisted decolorization of synthetic dyes-approaches for a cost-effective enzyme-based remediation methodology. Applied Biochemistry and Biotechnology, v. 169, p. 911-922, 2013. https://doi.org/10.1007/s12010-012-0041-x

SRINIVASAN, S.; SADASIVAM, S. K.; GUNALAN, S.; SHANMUGAM, G.; KOTHANDAN, G. Application of docking and active site analysis for enzyme linked biodegradation of textile dyes. Environmental Pollution, v. 248, p. 599-608, 2019. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.02.080

TARIQ, M.; WASEEM, M.; RASOOL, M. H.; ZAHOOR, M. A.; HUSSAIN, I. Isolation and molecular characterization of the indigenous Staphylococcus aureus strain K1 with the ability to reduce hexavalent chromium for its application in bioremediation of metal-contaminated sites. PeerJ, p. 1-20, 2019. https://doi.org/10.7717/peerj.7726

TONG, S. Y.; DAVIS, J. S.; EICHENBERGER, E.; HOLLAND, T. L.; FOWLER, V. G., JR. Staphylococcus aureus infections: epidemiology, pathophysiology, clinical manifestations, and management. Clinical Microbiology Reviews, v. 28, n. 3, p. 603–661, 2015. https://doi.org/10.1128/CMR.00134-14

TROTT, O.; OLSON, A. J. AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization, and multithreading. Journal of Computational Chemistry, v. 31, n. 2, p. 455-61, 2010. https://doi.org/10.1002/jcc.21334

XU, J.; ZHENG, L.; YAN, Z.; HUANG, Y.; FENG, C.; LI, L.; LING, J. Effective extrapolation models for ecotoxicity of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene (BTEX). Chemosphere, v. 240, p. 1-5, 2020. https://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.124906

WALLACE, A. C.; LASKOWSKI, R. A.; THORNTON, J. M. LIGPLOT: a program to generate schematic diagrams of protein - ligand interactions. Protein Engineering, v. 8, p. 127–134, 1995. https://doi.org/10.1093/protein/8.2.127

WHYTE, L. G.; BOURBONNIÈRE, L.; GREER, C. W. Biodegradation of petroleum hydrocarbons by psychrotrophic Pseudomonas strains possessing both alkane (alk) and naphthalene (nah) catabolic pathways. Applied and Environmental Microbiology Journal, v. 63, p. 3719–3723, 1997.

ZHU, D.; ZHANG, P.; XIE, C.; ZHANG, W.; SUN, J.; QIAN, W. J.; YANG, B. Biodegradation of alkaline lignin by Bacillus ligniniphilus L1. Biotechnology for Biofuels, v. 10, n. 44, p. 1-14, 2017. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0735-y

ZOU, L.; CHEN, Z.; ZHANG, X.; LIU, P.; LI, X. Phosphate promotes uranium (VI) adsorption in Staphylococcus aureus LZ-01. Letters in Applied Microbiology, v. 59, n. 5, p. 528-534, 2014. https://doi.org/10.1111/lam.12310

Downloads

Publicado

2022-04-04 — Atualizado em 2022-04-18

Versões

Como Citar

Rangel, E. M., Silva, E. F. e, Macagnan, K. L., Ribeiro, L. V., Cardoso, T. F., & Garcez, D. K. (2022). O uso de bactérias para biorremediação de ambientes contaminados com tolueno: uma análise molecular por docking. Ciência E Natura, 44, e17. https://doi.org/10.5902/2179460X68835 (Original work published 4º de abril de 2022)

Edição

v. 44 (2022): Edição Especial VI SSS

Seção

Edição Especial

Licença

Copyright (c) 2022 Ciência e Natura

Creative Commons License

Este trabalho está licenciado sob uma licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Para acessar a DECLARAÇÃO DE ORIGINALIDADE E EXCLUSIVIDADE E CESSÃO DE DIREITOS AUTORAIS clique aqui.

 

Diretrizes Éticas para Publicação de Revistas

A revista Ciência e Natura está empenhada em garantir a ética na publicação e na qualidade dos artigos.

A conformidade com padrões de comportamento ético é, portanto, esperada de todas as partes envolvidas: Autores, Editores e Revisores.

Em particular, 

Autores: Os Autores devem apresentar uma discussão objetiva sobre a importância do trabalho de pesquisa, bem como detalhes e referências suficientes para permitir que outros reproduzam as experiências. Declarações fraudulentas ou intencionalmente incorretas constituem comportamento antiético e são inaceitáveis. Artigos de Revisão também devem ser objetivos, abrangentes e relatos precisos do estado da arte. Os Autores devem assegurar que seu trabalho é uma obra totalmente original, e se o trabalho e / ou palavras de outros têm sido utilizadas, isso tem sido devidamente reconhecido. O plágio em todas as suas formas constitui um comportamento publicitário não ético e é inaceitável. Submeter o mesmo manuscrito a mais de um jornal simultaneamente constitui um comportamento publicitário não ético e é inaceitável. Os Autores não devem submeter artigos que descrevam essencialmente a mesma pesquisa a mais de uma revista. O Autor correspondente deve garantir que haja um consenso total de todos os Co-autores na aprovação da versão final do artigo e sua submissão para publicação.

Editores: Os Editores devem avaliar manuscritos exclusivamente com base no seu mérito acadêmico. Um Editor não deve usar informações não publicadas na própria pesquisa do Editor sem o consentimento expresso por escrito do Autor. Os Editores devem tomar medidas de resposta razoável quando tiverem sido apresentadas queixas éticas relativas a um manuscrito submetido ou publicado.

Revisores: Todos os manuscritos recebidos para revisão devem ser tratados como documentos confidenciais. As informações ou ideias privilegiadas obtidas através da análise por pares devem ser mantidas confidenciais e não utilizadas para vantagens pessoais. As revisões devem ser conduzidas objetivamente e as observações devem ser formuladas claramente com argumentos de apoio, de modo que os Autores possam usá-los para melhorar o artigo. Qualquer Revisor selecionado que se sinta desqualificado para rever a pesquisa relatada em um manuscrito ou sabe que sua rápida revisão será impossível deve notificar o Editor e desculpar-se do processo de revisão. Os Revisores não devem considerar manuscritos nos quais tenham conflitos de interesse resultantes de relacionamentos ou conexões competitivas, colaborativas ou outras conexões com qualquer dos autores, empresas ou instituições conectadas aos documentos.