Reconstruction of the genome-scale metabolic model of Nitrosomonas europaea

Abstract

Nitrogen is one of the four most common elements in any cell and thus, it is needed to sustain all kinds of life, making the nitrogen cycle crucial to life on Earth. However human activities have doubled the transfer of the reactive nitrogen into the biosphere, largely through the excessive use of fertilizers. This lead to eutrophication of aquatic systems, a negative ecosystem response usually associated with reduction of the biodiversity in it. This work is set to improve the removal technique of reactive nitrogen by transforming it into non-reactive nitrogen - through Nitrosomonas europaea, an essential and ubiquitous bacteria in the nitrogen cycle. By using it in wastewater treatment plants, it is possible to overcome a limiting step of this transformation, which ultimately helps to stop eutrophication. N. europaea is the most studied ammonia-oxidizing bacteria to date and has various pathways that involve different compounds of nitrogen, making it metabolically versatile and, therefore, suitable for wastewater treatments. In this work, it was reconstructed a genome-scale metabolic model of N. europaea, using merlin (a specialized software for this task), to allow performing in silico simulations with different environmental conditions, providing knowledge of its underlying metabolic fluxes. This reconstruction was made through computational means (including several iterative steps such as automatic and manual annotation of the genome, curation of the metabolic pathways, among others), was validated through laboratorial means (by growing the organism in a chemostat and quantifying the compounds of its biomass), and was supported by literature in many cases. This validation was represented by the accuracy of the model (a comparison between the in vivo with the in silico data), and was equal to 98, 36 %. Now, with a metabolic model of the organism, a guided approach may be developed to optimize the conversion of ammonia into nitrite, to be later metabolized by other organisms to produce molecular diatomic nitrogen (inactive nitrogen), thus providing a solution to eutrophication.

O Azoto é um dos quarto elementos mais comuns na célula, e por isso é necessário para sustentar qualquer tipo de vida, tornando o ciclo do azoto crucial para a vida na Terra. Mas as actividades humanas duplicaram a transferência de azoto reactivo para a biosfera, maioritariamente através do uso excessivo de fertilizantes. Isto conduziu à eutrofização de sistemas aquáticos, uma resposta negativa do ecossistema normalmente associada à sua redução da sua biodiversidade. Este trabalho está focado em melhorar a técnica de remoção de azoto reactivo ao transformá-lo na sua forma inactiva - através da Nitrosomonas europaea, uma bactéria essencial e ubíqua no ciclo do azoto. Ao usá-la em plantas de águas residuais, é possível ultrapassar um passo limitante desta conversão, que por sua vez ajuda a parar a eutrofização. N. europaea é a bactéria oxidante de amoníaco mais estudada e esta contém várias vias metabólicas que envolvem diferentes compostos de azoto, tornando-a metabolicamente versátil, e assim é adequada para tratamento de águas residuais. Foi reconstruído, neste trabalho, um modelo metabólico à escala genómica da N. europaea, usando merlin (um software especializado para esta tarefa), para permitir a realização de simulações in silico sujeitadas a diferentes condições ambientais, fornecendo informação sobre os seus fluxos metabólicos. Esta reconstrução foi feita através de meios computacionais (incluindo vários passos iterativos, como a anotação automática e manual do genoma, a curação das vias metabólicas, entre outros), foi validada através de meios laboratoriais (ao crescer este organismo num quimiostato e ao quantificar os compostos da sua biomassa), e foi apoiada e justificada através da literatura, em muitos casos. Esta validação foi representada através da exatidão do modelo (uma comparação entre informação in vivo e in silico), e foi igual a 98, 36 %. Agora, com o modelo metabólico deste organismo, uma abordagem orientada para a otimização da conversão de amoníaco para nitrito poderá ser desenvolvida, para este composto ser metabolizado por outros organismos para ser produzido azoto diatómico molecular (azoto na sua forma inactiva), e assim, fornecer uma solução para a eutrofização.