Dva Chloroflexi tříd nezávisle na sobě vyvinula schopnost přetrvávat na atmosférický vodík a oxid uhelnatý | ISME Journal

Thermomicrobium roseum upreguluje hydrogenase a oxidu uhelnatého dehydrogenázy vyjádření během koordinované reakce na vyhladověním
T. roseum aerobně oxiduje H2 a CO v širokém rozsahu koncentrací, včetně sub-atmosférické úrovně, při přetrvávání
Úklidu atmosférických plynů je potenciálně společné vytrvalost strategie v rámci aerobní heterotrofní Chloroflexi
Ekologické a biogeochemické význam metabolické flexibility a stopových plynů oxidace v Chloroflexi

Thermomicrobium roseum upreguluje hydrogenase a oxidu uhelnatého dehydrogenázy vyjádření během koordinované reakce na vyhladověním

Jsme ve srovnání transcriptomes o trojím vyhotovení T. roseum kultur v rámci bohaté na živiny (exponenciální růst) a živin-omezená (stacionární fáze) podmínky. Celkem 401 geny byly výrazně upregulován a 539 geny byly výrazně downregulated alespoň dva-krát (p < 10-6) v reakci na nedostatku živin (Obr. 1a; tabulka S1). Byly pozorovány tři hlavní trendy v oblasti získávání a využívání energie. Za prvé, geny spojené s energeticky nákladné procesy byly downregulated, včetně těch, kódování ribosomálních bílkovin, cytochromu c a menachinon biosyntézu enzymů, a megaplasmid-kódovaný chemotaktické a bičíkový aparát (Tabulky S1). Za druhé, existují důkazy o mobilizaci vnitřních zásob uhlíku, včetně komplexu acetoindehydrogenázy a komplexu flavoproteinů pro přenos elektronů (ETF). Zatřetí, profily exprese naznačují rozsáhlou remodelaci dýchacího řetězce. Dva primární respirační dehydrogenáz podílí heterotrofní růst (typ I a II NADH dehydrogenázy) byly downregulated, vzhledem k tomu, že komplexy se podílejí lithotrophic energie a sukcinát dehydrogenázy byly upregulovány (Obr. 1a; tabulka S1). V obou podmínek, terminál oxidases, které zprostředkovávají aerobní respirace byly vysoce exprimován, a tam byl žádné důkazy o použití jiných elektronových akceptorů; cytochromu aa3 monoaminooxidázy byl vyjádřen v obou fázích a alternativní cytochromu bo3 monoaminooxidázy byl upregulován při stacionární fáze. Naproti tomu f1fo-ATPáza (ATP syntáza) byla downregulována, což je zjištění konzistentní s očekávaným snížením dostupnosti respiračních dárců elektronů během omezení živin (tabulka S1).

Thermomicrobium roseum upreguluje geny spojené s metabolismem H2 A CO za podmínek omezujících živiny. Geny kódující strukturální podjednotky skupiny 1h-hydrogenase (hhyLS; trd_1878–1877) , které jsou třída kyslíku-tolerantní enzymy známé zprostředkovat atmosférický H2 oxidace , jsou upregulated v průměru o 12,6-krát (Obr. 1b). Také upregulovány byly konzervované hypotetické proteiny hhaABC (trd_1876-1874; 5. 5-násobné) , kódované na stejné domnělé operon jako strukturální podjednotky, stejně jako samostatný domnělé operon zrání faktory (trd_1873–1863; 3,1-krát) (Obrázek S2; Tabulka S1). Strukturní (trd_1206–1208) a Maturační (trd_1209–1215) podjednotky kódující dehydrogenázu oxidu uhelnatého typu I byly upregulovány v průměru dvojnásobně (obr. 1c & S2) v reakci na omezení živin. V souladu s předchozími zprávami o využití CO během růstu v tomto organismu byly geny oxid uhelnatý dehydrogenázy vysoce exprimovány v exponenciálních i stacionárních kulturách. (Obr. 1C; tabulka S1). To naznačuje, že T. roseum používá CO k doplnění dostupného organického uhlíku během růstu (mixotrofie) a perzistence. Tato zjištění jsou do značné míry podobná pozorování u jiných kmenů, zejména Aktinobakterií a proteobakterií, že exprese hydrogenázy a oxidu uhelnatého dehydrogenázy jsou indukovány omezením organického uhlíku .

Celkově největší rozdíl v genové expresi podílí 19-gene cluster (trd_0160–0142) putatively podílí se na oxidaci sirných sloučenin. Cluster obsahuje gen kódující domnělé rozpustné heterodisulfide reduktázy (hdrABC), přenos elektronů flavoprotein komplex (etfAB), tři síry-nosné proteiny (tusA, dsrE1, dsrE2), tři lipoate-vazebné proteiny (lbpA), a různé hypotetické proteiny, které jsou upregulovány průměrně 45-krát během vytrvalost. Většina z těchto složek má homology v systému nedávno prokázáno, že zprostředkovávají oxidaci různých organických a anorganických sloučenin síry v Hyphomicrobium denitrificans . Jednou z rolí tohoto shluku může být zprostředkování aktivace a oxidace endogenních nebo exogenních sloučenin obsahujících thiol. Abychom toho dosáhli, předpovídáme, že komplex Hdr katalyzuje tvorbu disulfidové vazby mezi thiolovou sloučeninou a proteinem nosičem síry (např. Na podporu této představy je oxidace thiolu na disulfid exergonická s kyslíkem jako terminálním akceptorem elektronů. Zatímco Hdr komplexy jsou nejlepší-charakteristické pro jejich role v heterodisulfide snížení methanogenic archaea mají také zkoumán v síry-oxidační a sulfát-redukujících bakterií, kde se předpokládá být fyziologicky reverzibilní . Důsledně, Hdr komplex T. roseum je nejvíce úzce souvisí s těmi sulfobacillus oxidující síru, Hyphomicrobium, a Acidithiobacillus kmeny . Zdá se pravděpodobné, že T. roseum by mělo prospěch z výhody přežití, pokud by mohlo využít snížené sloučeniny síry dostupné v geotermálních pramenech. K ověření aktivity, substrátů a fyziologické role tohoto systému je však zapotřebí další práce.

souhrnně tato zjištění ukazují, že T. roseum je metabolicky pružnější, než se dříve myslelo. Obr. 1d ilustruje předpokládanou remodelaci dýchacího řetězce, ke které dochází během přechodu z podmínek bohatých na živiny do podmínek omezených na živiny. Upregulace enzymů zapojených do využití anorganických sloučenin, ve spojení s downregulací genových shluků zapojených do oxidace NADH, naznačuje, že T. roseum vyvinul mechanismy pro udržení aerobního dýchání navzdory kolísání živin a deprivaci v jeho prostředí.

T. roseum aerobně oxiduje H2 a CO v širokém rozsahu koncentrací, včetně sub-atmosférické úrovně, při přetrvávání

vysoká exprese úrovně pro geny kódující skupina 1h-hydrogenase a typ jsem oxidu uhelnatého dehydrogenázy navrhl, že T. roseum může podporovat vytrvalost tím, že oxidační atmosférický H2 a CO. Abychom to otestovali, inkubovali jsme kultury T. roseum v prostoru okolního vzduchu doplněném o ~14 ppmv buď H2 nebo CO a sledovalo jejich spotřebu pomocí plynové chromatografie. Ve shodě s naší hypotézou, kultury aerobně oxidován obou plynů v pořadí první kinetický proces, v rámci 71 h, směšovací poměr těchto plynů (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) byly pětkrát nižší než atmosférický úrovně (Obr. 2a, b). To představuje první pozorování jak aerobního dýchání H2, tak atmosférické oxidace H2 v kmeni Chloroflexi.

Celá buňka kinetická měření ukázalo, že T. roseum účinně oxiduje H2 A CO v širokém rozsahu koncentrací prostřednictvím aktivity hydrogenázy a oxidu uhelnatého dehydrogenázy. V kulturách, enzymy zobrazení střední zdánlivá rychlost (Vmax aplikace 376 nmol H2 a 149 nmol CO g−1 bílkovin min−1) a střední zdánlivá afinita (Km aplikaci 569 nM H2 a 285 nM, CO) pro tyto substráty (Obr. 2c, d; tabulka S2). S ohledem na oxid uhelnatý dehydrogenázy, tato pozorování jsou v souladu se organismus je schopen využít CO při zvýšených koncentracích pro růst a atmosférické koncentrace pro vytrvalost. Zdánlivé kinetické parametry skupiny 1h-hydrogenase jsou více podobné těm, které nedávno popsal pro verrucomicrobial methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM), než do high-affinity, nízká aktivita hydrogenases dříve popsané atmosférický H2 mrchožrouti (Km < 50 nM) . Celkem, tato zjištění naznačují, že T. roseum může využít zvýšené koncentrace H2 A CO, pokud jsou k dispozici prostřednictvím geotermální aktivity, a jinak může existovat na atmosférických koncentracích těchto plynů.

v souladu s pozorovanými celobuněčnými aktivitami běží buněčné lyzáty na nativních polyakrylamidových gelech silně obarvených na aktivitu hydrogenázy a oxidu uhelnatého dehydrogenázy (obr. 2e). Molekulová hmotnost hlavních pásem byla, respektive, na očekávané molekulové hmotnosti dimeru oxidu uhelnatého dehydrogenázy a mírně pod očekávanou molekulovou hmotností dimeru hydrogenázy . To je kompatibilní s biochemickými studiemi u jiných organismů, které prokázaly dehydrogenázy oxidu uhelnatého typu I a hydrogenázy skupiny 1h tvoří homodimery . Dále jsme ověřili, že hydrogenáza byla spojena s respiračním řetězcem měřením oxidace H2 pomocí H2 elektrody za aerobních podmínek. Neošetřené buňky rychle oxidují H2. Tato činnost se snížil o 2,5-krát na toho dýchacích uncoupler CCCP a přestalo po přidání ionophore valinomycin, vzhledem k tomu, že žádné významné změny v H2 oxidace frekvence bylo pozorovatelné s protonophore nigericin (Obr. 2f). Kombinace těchto výsledků vyplývá, že oxidace vodíku je pevně spojen s dýchací řetězec a tato interakce může být spojeno s elektrický gradient (Δψ), ale ne pH gradient (ΔpH), membrány.

nálezy z analýzy transkriptomu a studií aktivity proto naznačují, že T. roseum přetrvává oxidací atmosférického H2 A CO. Navrhujeme, aby skupina 1h-hydrogenáza a dehydrogenáza oxidu uhelnatého typu I přímo používaly elektrony odvozené z atmosférického H2 A CO k podpoře aerobního dýchání (obr. 1d). Je pravděpodobné, že tyto elektrony jsou předávány prostřednictvím přenašeče elektronů do menachinon bazén a jsou následně převedeny do terminálu oxidases. Nicméně, další studie jsou nezbytné pro potvrzení, jak tyto proteiny funkčně a fyzicky komunikovat s dýchacím řetězci, včetně jejich lokalizace a který přenašeče elektronů interagují s. V důsledku genetické svéhlavost Chloroflexi a nedostatek konkrétních hydrogenase nebo oxidu uhelnatého dehydrogenázy inhibitory, také jsme byli schopni určit nutnost buď H2 nebo CO oxidaci pro dlouhodobé přežití pro tento organismus. Předchozí studie však prokázaly, že genetická delece skupiny 1h-hydrogenázy snižuje životnost buněk m. smegmatis a Exospor Streptomyces avermitilis .

Úklidu atmosférických plynů je potenciálně společné vytrvalost strategie v rámci aerobní heterotrofní Chloroflexi

že se prokázalo, že T roseum oxiduje atmosférické stopové plyny během perzistence, následně jsme zkoumali, zda se jedná o běžnou strategii používanou Chloroflexi. Nejprve jsme analyzovali respirační schopnosti Termogemmatispora sp. T81, heterotrofní celulolytický a sporulační termofil, který jsme dříve izolovali z geotermálních půd z Tikitere na Novém Zélandu . Analýza genomu organismu (ID sestavy: GCA_003268475. 1) ukázala, že kóduje základní složky dýchacího řetězce podobné T. roseum, včetně primárních dehydrogenáz (nuo, ndh, sdh), terminálních oxidáz (cox, cyo) a ATP syntázy (atp). Genom také kóduje domnělé operony pro strukturní podjednotky skupiny 1h-hydrogenázy, faktory zrání této hydrogenázy a strukturní podjednotky dehydrogenázy oxidu uhelnatého typu I (obrázek S3). Homologové domnělé heterodisulfidreduktázy a komplexů ETF kódovaných T. roseum však v Termogemmatispora sp chybí. Genom T81.

Ověřili jsme, že sporulační kultury Thermogemmatispora sp. T81 aktivně spotřebovává H2 A CO. Organismus pomalu oxiduje dostupné H2 A CO v headspace na sub-atmosférické úrovně (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) přes ~320 h (obr. 3a, b). Ačkoli bylo dříve prokázáno, že tento kmen oxiduje oxid uhelnatý, toto je první pozorování, že to může udělat pro sub-atmosférické koncentrace a během perzistence. Tyto výsledky naznačují, že, navzdory jejich odlišné evoluční historii a ekologickým výklenkům, Thermogemmatispora sp. T81 a T. roseum vyvinuly podobné metabolické strategie, aby přežily omezení živin.

Analýza distribuce hydrogenases a oxidu uhelnatého dehydrogenáz do veřejně dostupných referenčních genomů ukázaly, že genetická kapacita pro trasování odsávání plynů je společný rys mezi aerobní Chloroflexi. Konkrétně, skupina 1h-hydrogenases a typ jsem oxidu uhelnatého dehydrogenázy, byly zakódovány ve třech ze čtyř referenčních genomů v rámci Thermomicrobiales (třída Chloroflexia) a čtyři z pěti referenčních genomů v rámci Ktedonobacteriales (třída Ktedonobacteria) (Obr. 4a, b). Ten zahrnuje genomy heterotrofní půdní bakterie ktedonobacter racemifer a dusitany oxidující bioreaktor izolát Nitrolancea hollandica . Kromě toho sedm kmenů v rámci fotosyntetického řádu chloroflexales kóduje skupinu 1f a / nebo skupinu 2a-hydrogenázy (obrázek S4). Ukázalo se, že tyto třídy hydrogenáz zprostředkovávají aerobní oxidaci H2 v řadě bakterií, včetně sub-atmosférických koncentrací v Acidobacterium ailaaui a M .smegmatis. Navíc, metatranscriptome studie odhalila, že homologů skupiny 1f -hydrogenase z Roseiflexus druhy jsou vysoce exprimován v geotermální mikrobiální rohože na noc . Proto je pravděpodobné, že vlastnosti aerobního dýchání H2 a případně atmosférické oxidace H2 se rozšiřují na fotosyntetické kmeny tohoto kmene. Řada genomů sestavených metagenomem, včetně hojné kandidátské třídy Ellin6529, také kódovala geny pro aerobní oxidaci H2 A CO (obrázek S4 & S5). V souladu s předchozími zprávami kódují Dehalokokkoidie skupiny 1a-hydrogenázy, o nichž je známo, že usnadňují dehalorespiraci .

Naše analýzy naznačují, že kapacita pro atmosférický H2 a CO oxidaci může se vyvinuli na dvě nebo více příležitostech v rámci Chloroflexi. Fylogenetické stromy ukazují, že skupina 1h-hydrogenázy z Chloroflexie a Ktedonobakterií jsou odlišné a spadají do dvou odlišných, robustně podporovaných větví (obr. 4a). Proto je více pravděpodobné, že Chloroflexia a Ktedonobacteria nezávisle získány tyto enzymy, například v důsledku horizontálního přenosu genů události z jiných Terrabacteria, spíše než vertikálně dědění od společného předka. Fylogenetická analýza také naznačuje, že dehydrogenáza oxidu uhelnatého typu I mohla být také získána dvakrát nebo třikrát v tomto kmeni (obr. 4b). V souladu s jejich pravděpodobnou nezávislou akvizicí předpokládané operony kódující hydrogenázu a oxid uhelnatý dehydrogenázu v T. roseum (obrázek S2) a Thermogemmatispora sp. T81 (obrázek S3) jsou zřetelně uspořádány. Například, strukturální a příslušenství faktory oxidu uhelnatého dehydrogenázy jsou kódovány v jednom domnělé operon v Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), ale jsou rozděleny do strukturální operace (coxGSLM) a příslušenství operon (včetně coxG a coxE) v T. roseum. Tato zjištění souhlasí s předchozími závěry horizontálního šíření genů hhyL a coxL a naznačují, že existuje silný selektivní tlak na získávání metabolických enzymů, které podporují perzistenci. Nicméně, další vysvětlení jejich pozorování nelze vyloučit a je nutná další analýza k odhalení složitých evolučních dějin hydrogenáz a dehydrogenáz oxidu uhelnatého.

Ekologické a biogeochemické význam metabolické flexibility a stopových plynů oxidace v Chloroflexi

Aerobní heterotrofní bakterie z kmene Chloroflexi jsou více metabolicky univerzální, než se dříve myslelo. Analýzy transkriptomu jasně ukazují, že T. roseum reguluje svůj metabolismus v reakci na omezení živin, což umožňuje perzistenci na kombinaci exogenních anorganických sloučenin a pravděpodobných endogenních zásob uhlíku. Na podporu tohoto, měření plynovou chromatografií ukázala, že bakterie účinně oxiduje H2 A CO na sub-atmosférické koncentrace během perzistence aerobním respiračním procesem. Podobné nálezy jsme provedli u ktedonobakteriálního izolátu Thermogemmatispora sp. T81, což naznačuje, že zachycování stopových plynů může být běžnou strategií perzistence používanou aerobním Chloroflexi. Analýzy fylogeneze primární sekvence a struktury operonu ukazují, že skupina 1 h-hydrogenázy a dehydrogenázy oxidu uhelnatého v těchto organismech spadají do různých skupin a jsou relativně odlišné. Proto, je pravděpodobné, že tyto organismy horizontálně získaly schopnost oxidovat atmosférický H2 A CO prostřednictvím samostatných událostí, i když jsou možná jiná vysvětlení. Zdánlivá konvergence v persistence strategií je pozoruhodný vzhledem k odlišné evoluční historie, vytrvalost morfologií (tj. sporulace v T81), a ekologickou niku těchto bakterií. Generalismus zdrojů je proto pravděpodobně společnou ekologickou strategií pro přežití Chloroflexi v prostředích, kde může být organický uhlík a další živiny pravidelně vzácné.

obecněji tato zjištění poskytují čistou kultivační podporu hypotéze, že atmosférický oxid uhelnatý slouží jako zdroj energie pro perzistenci . Naše zjištění naznačují, že exprese a aktivita oxidu uhelnatého dehydrogenázy je spojena s vytrvalostí, a poskytnout důkaz, že atmosférický CO může sloužit jako donoru elektronů pro aerobní respirační řetězec je v tomto stavu. Vskutku, jako u atmosférického H2, atmosférický CO bude pravděpodobně spolehlivým zdrojem energie pro mikrobiální přežití vzhledem k jeho všudypřítomnosti, difuzibilita, a hustota energie. Integrace těchto zjištění s širší literaturou, je pravděpodobné, že atmosférická oxidace CO je obecná strategie podporující dlouhodobé přežití aerobních heterotrofních bakterií. Ve skutečnosti byly dříve odvozeny různé heterotrofní bakterie schopné oxidovat atmosférický CO, včetně proteobakterií, Aktinobakterií a kmene Termogemmatispora . Další datové soubory navíc ukázaly, že exprese oxidu uhelnatého dehydrogenázy je aktivována během omezení živin v jiných aerobních organismech . Na rozdíl od atmosférického H2 však zbývá ověřit pomocí genetických a biochemických studií, že atmosférická oxidace CO může zvýšit přežití bakterií během perzistence. V souladu s předchozími měřeními založenými na aktivitě analýza transkriptomu ukazuje, že T. roseum exprimuje oxid uhelnatý dehydrogenázu při vysokých hladinách během růstu. Na rozdíl od karboxydotrofů, jako jsou oligotropha karboxidovorans, T. roseum jako karboxydovor nemůže růst chemolitoautotroficky a místo toho se zdá, že používá CO jako další zdroj energie během heterotrofního růstu. Široké kinetické rozsahu T. roseum oxidu uhelnatého dehydrogenázy v celé buňky pravděpodobné, že to umožňuje izolovat na obou přetrvávají na všude dostupné atmosférické CO a růst mixotrophically v mikroprostředí, kde CO je k dispozici na zvýšených koncentracích (až 6000 ppmv), přes geotermální aktivity .

a Konečně, tato studie stanoví Chloroflexi jako třetí kmen experimentálně prokázáno, že uklízet atmosférický H2, po Actinobacteria a Acidobacteria . Zjištění zde jsou podobné těm, které již bylo dříve oznámeno pro actinobacterium Mycobacterium smegmatis a acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes , z nichž oba také posun od heterotrofní respirace na atmosférický H2 oxidace v reakci na energetická omezení, včetně vyjádření skupiny 1h-hydrogenases. Vzhledem k nejméně čtyřem dalším kultivovaným kmenům (obr. 4a) a dvě kandidátské kmenů také kódovat skupina 1h-hydrogenases, zdá se, stále více pravděpodobné, že atmosférický H2 slouží jako obecný zdroj energie pro aerobní heterotrofní bakterie. Toto pozorování je také potenciálně biogeochemicky významné, vzhledem k tomu, že aerobní půdní bakterie jsou známy jako hlavní dřez v globálním vodíkovém cyklu . Další práce, nicméně, je třeba otestovat, zda se tyto principy vztahují na stále záhadné druhy Chloroflexi obývající mezofilní půdní prostředí.

Dvě Chloroflexi tříd nezávisle na sobě vyvinula schopnost přetrvávat na atmosférický vodík a oxid uhelnatý

Thermomicrobium roseum upreguluje hydrogenase a oxidu uhelnatého dehydrogenázy vyjádření během koordinované reakce na vyhladověním

T. roseum aerobně oxiduje H2 a CO v širokém rozsahu koncentrací, včetně sub-atmosférické úrovně, při přetrvávání

Úklidu atmosférických plynů je potenciálně společné vytrvalost strategie v rámci aerobní heterotrofní Chloroflexi

Ekologické a biogeochemické význam metabolické flexibility a stopových plynů oxidace v Chloroflexi

Published by admin

Napsat komentář Zrušit odpověď na komentář