Implementação da técnica de PCR Quantitativa em Tempo Real (qPCR) para o monitoramento de Microcystis e genótipos potencialmente produtores de microcistinas

• Main Author: Adriana Sturion Lorenzi
• Other Authors: Marli de Fatima Fiore
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2008
• Subjects: Ficocianina; Metabólitos secundários; Monitoramento ambiental; PCR; Sintetases de peptídeos; Environmental monitoring; Peptides synthetase; Phycocyanin; Secondary metabolites
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/64/64133/tde-19112008-112717/

Florações de cianobactérias tóxicas em corpos dágua doce usados como fonte para o consumo humano, recreação e irrigação são freqüentes nos dias de hoje devido à eutrofização destes ambientes. O monitoramento de linhagens tóxicas é importante para a prevenção dos efeitos adversos causados por suas toxinas na saúde de humanos e animais. Métodos rápidos e sensíveis para a detecção precoce das cianobactérias tóxicas em estações de tratamento de água e em programas de monitoramento de mananciais são de fundamental interesse para a prevenção desses efeitos. Atualmente, contagem de células, identificação de cianobactérias por microscopia óptica e análises químicas ou imunológicas das toxinas são usadas nos monitoramentos. Em anos recentes, métodos moleculares estão sendo desenvolvidos e propostos para o diagnóstico rápido e sensível da presença de cianobactérias tóxicas em diversos ambientes. Este estudo teve por objetivo implementar uma metodologia capaz de acessar e quantificar as cianobactérias do gênero Microcystis na Praia dos Namorados, no reservatório de Salto Grande, Americana, SP, local cujo uso recreacional é bastante intenso e florações de cianobactérias são freqüentemente observadas. Simultaneamente, buscou-se detectar o potencial de produção de microcistinas desses organismos. A técnica de PCR Quantitativa em Tempo Real (qPCR) foi empregada com essa finalidade e dois conjuntos de oligonucleotídeos LUX foram desenvolvidos tendo como alvo dois genes distintos. Seqüências de cpcBA-IGS do operon da ficocianina (PC) foram obtidas para sete linhagens de cianobactérias brasileiras, as quais foram alinhadas com outras seqüências existentes em banco de dados público, e permitiram o desenho dos iniciadores de qPCR QPCF/QPCR, capazes de amplificar fragmentos de 144 pb. Da mesma forma, outras 11 sequências inéditas foram obtidas para uma região do domínio da N-methyltransferase do gene da sintetase de microcistinas (mcyA) e permitiram o desenvolvimento dos iniciadores QmcyANMTF/ QmcyA-NMTR, capazes de amplificar fragmentos de 154 pb. Ambos os conjuntos foram marcados uma única vez com os fluoróforos FAM (QPCF/QPCR) ou JOE (QmcyA-NMTF/QmcyA-NMTR). Curvas de calibração para ambos os genes foram estabelecidas com regressão linear simples usando os valores de Ct (número de ciclos da qPCR em que a fluorescência atinge um limiar fixo pré-determinado) e concentrações conhecidas de DNA gênomico (em número de células equivalente) da Microcystis sp. NPLJ-4 (produtora de microcistina). As diluições utilizadas para o estabelecimento dessas curvas variaram de 1:10 a 1:10-5 e as concentrações de DNA foram correlacionadas com o respectivo número de células na amostra, obtido pela técnica de Utermöhl em laboratório certificado, como metodologia independente. Para PC e mcyA, as equações de regressão foram y = 43,977 - 1,8097Ln(x) (R2 = 0,99, p<0,05) e y = 42,932 - 1,8449Ln(x) (R2 = 0,99, p<0,05), respectivamente, sendo y = Ct com limiar de fluorescência fixo avaliado em 0,03 e x = quantidade de DNA na amostra em concentrações conhecidas (dada como log do número de células equivalente). Para ambos os genes analisados, o limite de detecção foi de 100 células por reação. Eficiências de 79 e 76% foram alcançadas nas amplificações para PC e mcyA, respectivamente. Posteriormente, essa metodologia foi aplicada a duas outras linhagens isoladas de Microcystis e em amostras ambientais de água, que foram coletadas sempre no mesmo ponto (Praia dos Namorados), em quatro períodos distintos (dez 06, abr 07, set 07 e nov 07). Genótipos PC (em número de células mL-1) foram quantificados pela técnica de qPCR em todas as amostras analisadas. Porém, genótipos mcy puderam ser determinados apenas em M. aeruginosa NPJB1 (0,5%) e na amostra referente à primeira coleta (2,7%). Os resultados de número de células em todas as análises feitas usando a técnica de Utermöhl foram superiores aos obtidos pela qPCR. A comparação entre as médias dos valores de quantificações gerados por Utermöhl e qPCR (PC) mostrou diferença significativa (Teste t de Student, p <0,05). Nas amostras ambientais, com exceção da primeira coleta, a presença de outros gêneros de cianobactérias cocóides, como Radiocystis e Sphaerocavum, foi observada, e suas distinções não foram possíveis nas observações microscópicas após a disrupção das colônias. Estudos adicionais realizados com a região cpcBA-IGS desses outros gêneros mostraram 96% de identidade com Microcystis, e seqüências IGS bastante similares. Assim, existe a possibilidade de que os iniciadores desenhados neste estudo estejam também amplificando esses dois gêneros de cianobactérias. Em adição, a contagem em microscópio pode ter superestimado os resultados, enquanto que a técnica de qPCR mostrou baixa eficiência de amplificação. O ensaio imunológico ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) identificou a produção de microcistinas dos tipos LR, RR ou YR em todas as amostras com concentrações maiores que 0,1 g L-1, com exceção da M. aeruginosa NPCD1 (não produtora de microcistinas). Os resultados obtidos neste estudo indicam que o número de células de Microcystis, estimado pela técnica de qPCR pode ser usado para o monitoramento ambiental na Praia dos Namorados, em atendimento à Portaria MS 518. Além disso, demonstram que é possível inferir a proporção de genótipos mcyA a partir da determinação de genótipos PC. Contudo, a validação dessa técnica requer maiores estudos, incluindo a utilização de mais gêneros de cianobactérias e análises de outros reservatórios brasileiros, para melhor avaliar sua confiabilidade para uso no monitoramento ambiental. Para fins de monitoramento em larga escala, a técnica de qPCR mostrou-se mais viável economicamente em relação à contagem de células por microscopia, devido a sua maior capacidade de processamento (18 amostras dia-1) === Toxic cyanobacterial blooms in freshwater bodies used as a source for human consumption, recreation and irrigation are frequent nowadays due to the eutrofication of these environments. The monitoring of toxic strains is important for the prevention of the side effects caused by their toxins in human and animal health. Rapid and sensitive methods for early detection of toxic cyanobacteria in water treatment stations and aquatic monitoring programs are essential for the prevention of these effects. Currently, cells counting, cyanobacterial identification using optical microscopy and chemical or immunological analyses of the toxins are applied for monitoring purposes. In recent years, molecular approaches are being developed and proposed for rapid and sensitive diagnosis of the presence of toxic cyanobacteria in several environments.This study aimed to implement a methodology capable of access and quantify Microcystis cyanobacterial genus at the Praia dos Namorados, in the Salto Grande reservoir, Americana, SP, where recreation is very intense and cyanobacterial blooms are frequently observed. Simultaneously, it was searched to detect the potential for microcystins production by these organisms. The Real Time Quantitative PCR (qPCR) technique was employed for these purpose and two sets of LUX primers were developed to target two distinct genes. Sequences of cpcBA-IGS of the phycocyanin operon (PC) were obtained for seven Brazilian cyanobacterial strains, which were aligned with other existing public database sequences, and allowed to design the qPCR QPCF/QPCR primers, able to amplify fragments of 144 bp. In the same way, 11 novel sequences were obtained from a region of the N-methyltransferase domain of the microcystin sinthetase gene (mcyA) and allowed the development of QmcyANMTF/ QmcyA-NMTR primers, able to amplify fragments of 154 bp. Both primer sets were labeled only once with FAM (QPCF/QPCR) or JOE (QmcyA-NMTF/QmcyA-NMTR) fluorophors. Standard curves for both genes were established with simple linear regression using the Ct values (the PCR cycle numbers at which the fluorescence reaches a predetermined threshold level) and known Microcystis sp. NPLJ-4 (microcystin producer) genomic DNA concentrations (in cell number equivalents). The dilutions used for the establishment of these curves ranged from 1:10 to 1:10-5 and the DNA concentrations were correlated with the respective cell numbers of the sample, obtained by Utermöhl technique in a certified laboratory, as an independent methodology. For PC and mcyA, the regression equations were y = 43.977 - 1.8097Ln(x) (R2 = 0.99, p<0,05) and y= 42.932 - 1.8449Ln(x) (R2 = 0.99, p<0,05), respectively, where y is the Ct at the set fluorescence threshold level (0.03) and x is the amount of known DNA concentrations in the sample (given as log cell number equivalents). For both analyzed genes, the detection limit was 100 cells per reaction. Efficiencies of 79 and 76% were achieved for PC and mcyA amplifications, respectively. Subsequently, this methodology was applied to two other isolated Microcystis strains and to environmental water samples, which were collected always in the same location (Praia dos Namorados), in four different periods (Dez 06, Apr 07, Set 07 and Nov 07). PC genotypes (in cell numbers mL-1) were quantified by the qPCR technique in all analyzed samples. However, mcy genotypes could be determined only in M. aeruginosa NPJB1 (0.5%) and in the first collected sample (2.7%). The results of cell numbers in all the analyses performed using Utermöhl technique were superior then those obtained by qPCR. The comparison between the average quantification values generated by Utermöhl and qPCR (PC) showed significant difference (Test t of Student, p<0,05). In the environmental samples, except for the first one collected, the presence of other cocoid cyanobacterial genera, such as Radiocystis and Sphaerocavum, was observed, and their distinctions were not possible by microscope observation after colonies disruption. Further studies carried out with the cpcBA-IGS region of these other genera showed 96% of identity with Microcystis, and very similar IGS sequences. Then, there is a possibility that the primers designed in this study are also amplifying these two cyanobacterial genera. In addition, microscopic cells counting may have overestimated the results, whereas qPCR technique showed low efficiency of amplification. The ELISA immunological assay (\"Enzyme-Linked Immunosorbent Assay\") identified the LR, RR or YR microcystins types in all samples analysed with concentrations higher than 0.1 mg L-1, with exception of M. aeruginosa NPCD1 (no microcystin producer). The results obtained in this study suggest that Microcystis cell numbers estimated by qPCR technique can be used for the environmental monitoring of the Praia dos Namorados, in attendance to the MS 518 regulation. Furthermore, they demonstrate that it is possible to infer the mcyA genotypes proportion from the PC genotypes determination. However, further studies are required for the validation of this technique, including the use of more cyanobacterial genera and other Brazilian reservoirs analyses, to better evaluate the reliability for its use in the environmental monitoring. For large scale monitoring, the qPCR technique is more economically viable when compared to the microscopic cells counting, due to its large processing capacity (18 samples day-1)