kaksi Kloroflexi-luokkaa on itsenäisesti kehittynyt kyky säilyä ilmakehän vedyllä ja hiilimonoksidilla

Thermomicrobium roseum upregulates hydrogenaasi-ja hiilimonoksididehydrogenaasiekspression aikana koordinoidussa reagoinnissa ravinteiden nälkiintymiseen

vertailimme transkriptomeja transkriptomeista, jotka on tehty transkriptomeista T. roseum-viljelmissä ravintorikkaissa (eksponentiaalinen kasvu) ja ravintoaineissa-rajoitetut (Stationäärifaasi) olosuhteet. Yhteensä 401 geeniä lisääntyi merkittävästi ja 539 geeniä pieneni merkittävästi vähintään kaksinkertaisella (p < 10-6) reaktiolla ravinteiden rajoitukseen (Fig. 1a; taulukko S1). Energian hankinnassa ja käytössä havaittiin kolme merkittävää suuntausta. Ensinnäkin energeettisesti kalliisiin prosesseihin liittyvät geenit vähensivät sääntelyä, mukaan lukien ribosomaalisia proteiineja koodaavat geenit, sytokromi c ja menakinonin biosynteesi-entsyymit sekä megaplasmidikoodatut kemotaktiset ja flagellaariset laitteet (taulukko S1). Toiseksi oli näyttöä sisäisten hiilivarastojen mobilisoitumisesta, mukaan lukien asetoiinidehydrogenaasikompleksi ja elektroninsiirto flavoproteiinikompleksi (ETF). Kolmanneksi, ilmaisuprofiilit osoittavat, että on olemassa laaja remodeling hengitys ketju. Kaksi heterotrofiseen kasvuun osallistuvaa primaarista hengitysdehydrogenaasia (tyypin I ja II NADH-dehydrogenaasit) olivat downregulated, kun taas litotrofiseen energiantuotantoon osallistuvat kompleksit ja sukkinaattidehydrogenaasi olivat upregulated (Fig. 1a; taulukko S1). Molemmissa olosuhteissa aerobista hengitystä välittävät terminaaliset oksidaasit ilmentyivät hyvin, eikä muiden elektroniseptorien käytöstä ollut näyttöä; sytokromi aa3-oksidaasi ilmaistiin molemmissa faaseissa ja vaihtoehtoinen sytokromi bo3-oksidaasi säädeltiin stationäärifaasin aikana. Sen sijaan f1fo-ATPaasi (ATP-syntaasi) säädeltiin alaspäin, mikä on yhdenmukainen sen kanssa, että hengitystieelektroninluovuttajien saatavuus vähenee odotetusti ravinteiden rajoituksen aikana (taulukko S1).

Thermomicrobium roseumin Ravintorikkaiden (eksponentiaalinen vaihe) ja ravinteiden rajoitettujen (stationäärifaasi) viljelmien differentiaalinen geeniekspressio. Tulivuorijuoni, jossa näkyy geenien suhteellinen ilmentymämuutos ravinteiden rajoittamisen jälkeen. Kertamuutos osoittaa kolmen stationäärifaasiviljelmän normalisoidun transkription runsauden suhteen jaettuna kolmella eksponentiaalifaasiviljelmällä (biologiset toisinnot). Jokaista geeniä edustaa harmaa piste ja hengitystiegeenit korostuvat legendan mukaan. b, c lämpökartat ryhmän 1h-hydrogenaasin (hhyLS; b) ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasin (coxLSM; c) rakenteellisia alayksiköitä koodaavien putatiivisten operonien normalisoidusta runsaudesta. Lukuarvot kilobaasimiljoonaa kohti (RPKM) esitetään kolmelle eksponentiaalisesti kasvavalle ja kolmelle stationäärifaasimiljoonalle. HP = hypoteettinen proteiini. d orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden aerobista hengitystä välittävien hengityskompleksien differentiaalinen säätely. Komplekseja varjostetaan eri tavoin riippuen siitä, ovatko ne merkittävästi yläsääntelyssä (vihreä), alasääntelyssä (oranssi) vai muuttumattomassa (harmaa) ravinteikkaissa viljelmissä verrattuna ravinteikkaisiin viljelmiin. Geenien nimet, lokusluvut ja transkriptomien runsauden keskimääräiset kertamuutokset esitetään kullekin kompleksille. Shown are the structural subunits of type I NADH dehydrogenase (nuoA-E,H-N), type II NADH dehydrogenase (ndh), succinate dehydrogenase (sdhA-D), group 1h -hydrogenase (hhyLS), type I carbon monoxide dehydrogenase (coxLMS), heterodisulfide reductase (hdrABC), electron transfer flavoprotein (etfAB), sulfur-carrier protein (tusA), cytochrome aa3 oxidase (coxABC), cytochrome bo3 oxidase (cyoAB), and ATP synthase (atpA-H). Note that the physiological role of the highly upregulated hdrABC, etfAB, and tusA genes is yet to be experimentally validated in T. roseum

Thermomicrobium roseum upregulates geenit, jotka liittyvät H2 ja CO aineenvaihduntaan ravinteiden rajoittavissa olosuhteissa. Ryhmän 1h-hydrogenaasin (hhyLS; trd_1878–1877) rakenteellisia alayksiköitä koodaavat geenit , jotka kuuluvat ilmakehän H2-hapettumista välittävien hapensietoentsyymien luokkaan , olivat keskimäärin 12,6-kertaisia (Kuva. 1b). Myös säilyneet hypoteettiset proteiinit hhaABC (trd_1876–1874; 5.5-kertainen), joka on koodattu samalle oletetulle operonille kuin rakenteelliset alayksiköt, sekä erilliselle maturiteettikertoimien oletetulle operonille (trd_1873–1863; 3.1-kertainen) (Kuva S2; taulukko S1). Tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasia koodaavat rakenteelliset (trd_1206–1208) ja kypsyvät (trd_1209–1215) alayksiköt olivat keskimäärin kaksiosaisia (Kuva. 1C & S2) vastauksena ravinteiden rajoitukseen. Aiempien raporttien mukaisesti hiilimonoksididehydrogenaasigeenit ilmentyivät voimakkaasti sekä eksponentiaalisissa että stationäärifaasiviljelmissä. (Kuva. 1c; taulukko S1). Tämä viittaa siihen, että T. roseum käyttää CO: ta täydentämään saatavilla olevaa orgaanista hiiltä kasvun aikana (mixotrofia) ja pysyvyyden aikana. Nämä havainnot ovat suurin piirtein samanlaisia kuin muissa fyloissa, erityisesti Aktinobakteereissa ja Proteobakteereissa, tehdyt havainnot siitä, että hydrogenaasi ja hiilimonoksididehydrogenaasi ilmentyvät orgaanisen hiilen rajoituksen vaikutuksesta .

kaiken kaikkiaan suurin geenin ekspression ero liittyi 19–geenin klusteriin (trd_0160-0142), joka on kuvitellusti mukana rikkiyhdisteiden hapettumisessa. Klusteri sisältää putatiivista liukoista heterodisulfidireduktaasia (hdrABC) koodaavan geenin, elektroninsiirto-flavoproteiinikompleksin (etfAB), kolme rikkikantajaproteiinia (tusA, dsrE1, dsrE2), kolme lipoaattia sitovaa proteiinia (lbpa) ja erilaisia hypoteettisia proteiineja, jotka ovat pysyvyyden aikana keskimäärin 45-kertaisia. Useimmilla näistä komponenteista on homologeja järjestelmässä, jonka on äskettäin osoitettu välittävän erilaisten orgaanisten ja epäorgaanisten rikkiyhdisteiden hapettumista Hyphomicrobium denitrificansissa . Tämän klusterin yhtenä tehtävänä voi olla endogeenisten tai eksogeenisten tiolipitoisten yhdisteiden aktivoitumisen ja hapettumisen välittäminen. Tämän saavuttamiseksi ennustamme, että Hdr-kompleksi katalysoi disulfidisidoksen muodostumista tioliyhdisteen ja rikkikantajaproteiinin (esim.TusA) välillä; Hdr-kompleksi siirtää vapautuneet elektronit hengitystieketjuun mahdollisesti ETF-kompleksin kautta. Tätä käsitystä tukee se, että tioli hapettuu disulfidiksi eksergonisesti hapen toimiessa terminaalielektronien hyväksyjänä. Hdr-komplekseille on parhaiten ominaista niiden rooli heterodisulfidi-pelkistyksessä metanogeenisissa arkaareissa , mutta niitä on tutkittu myös rikkiä hapettavissa ja sulfaattia pelkistävissä bakteereissa, joissa niiden on ennustettu olevan fysiologisesti palautuvia . Johdonmukaisesti T. roseumin Hdr-kompleksi on läheisintä sukua rikkiä hapettavien Sulfobacillus -, Hyphomicrobium-ja Acidithiobacillus-kantojen kanssa . Vaikuttaa uskottavalta, että T. roseum hyötyisi selviytymisedusta, jos se pystyisi valjastamaan geotermisissä lähteissä olevia rikkiyhdisteitä. Lisätyötä tarvitaan kuitenkin tämän järjestelmän aktiivisuuden, substraattien ja fysiologisen roolin todentamiseksi.

yhdessä nämä havainnot osoittavat, että T. roseum on metabolisesti joustavampi kuin aiemmin on luultu. Kuva. 1d havainnollistaa hengitystieketjun ennustettua uudistumista, joka tapahtuu siirryttäessä ravinnepitoisista oloista ravinnepitoisiin. Epäorgaanisten yhdisteiden valjastamiseen osallistuvien entsyymien yläsääntely yhdessä NADH: n hapettumiseen osallistuvien geeniklusterien alasääntelyn kanssa viittaa siihen, että T. roseum on kehittänyt mekanismeja, jotka ylläpitävät aerobista hengitystä ravinnevaihteluista ja puutteista huolimatta ympäristössään.

T. roseum hapettaa aerobisesti H2: ta ja CO: ta hyvin erilaisilla pitoisuuksilla, myös ilmakehän alapuolella, pysyvyyden aikana

ryhmän 1h-hydrogenaasia ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasia koodaavien geenien korkeat ilmentymistasot viittasivat siihen, että T. roseum voi tukea pysyvyyttä hapettamalla ilmakehän H2: ta ja CO: ta. Testataksemme tätä inkuboimme T: n ravinnepitoisia viljelmiä. Roseum ulkoilmakehässä, johon on lisätty ~14 ppmv joko H2-tai CO-arvoa, ja valvoi niiden kulutusta kaasukromatografialla. Hypoteesimme mukaisesti viljelmät hapettivat aerobisesti molemmat kaasut ensimmäisen kertaluvun kineettisessä prosessissa; 71 tunnin kuluessa näiden kaasujen sekoitussuhteet (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) olivat viisi kertaa alle ilmakehän tason (kuva. 2 A, b). Tämä on ensimmäinen havainto sekä aerobisesta H2-hengityksestä että ilmakehän H2-hapettumisesta pääjaksossa Chloroflexi.

Thermomicrobium roseum-viljelmien Hydrogenaasi-ja hiilimonoksididehydrogenaasiaktiivisuus ravinteiden rajoittamisen aikana. A, b molekyylivetyjen (H2; a) ja hiilimonoksidin (CO; b) hapettuminen ilmakehän alatasoille T. roseum-viljelmien avulla. Virhepalkit osoittavat kolmen biologisen toisinnon keskihajonnat, joissa lämpökuolleita soluja seurataan negatiivisena kontrollina (harmaat murskatut viivat). H2: n ja CO: n sekoitussuhteet esitetään logaritmisella asteikolla ja katkoviivoilla esitetään keskimääräiset ilmakehän sekoitussuhteet H2 (0,53 ppmv) ja CO (0,10 ppmv). c, d T. roseumin kokonaisten solujen H2 (c) – ja CO (d) – hapettumisen näennäiset kineettiset parametrit. Parhaan istuvuuden ja kineettisten parametrien käyrät laskettiin Michaelis-Menten-epälineaarisen regressiomallin perusteella. Lineweaver-Burkin, Hanes-Woolfin ja Eadie-Hofsteen havaintoalojen perusteella lasketut arvot esitetään taulukossa S2. zymographic observation of hydrogenase and hiilimonoksididehydrogenase activity in T. roseum whole-cell lysates. Kahdella ensimmäisellä kaistalla näkyy proteiinitikkaat ja coomassien sinisellä värjätty kokoproteiini. Kolmas ja neljäs kaista osoittavat hydrogenaasi-ja hiilimonoksididehydrogenaasiaktiivisuutta värjäytyneenä keinotekoisella elektronisenseptorilla nitroblue tetratsoliumilla H2-rikkaassa ja CO-rikas ilmakehässä vastaavasti. f hydrogenaasiaktiivisuuden Amperometriset mittaukset T. roseumin kokonaissoluissa. H2: n hapetusnopeus mitattiin vetyelektrodilla ennen ja jälkeen hengitysteiden irrotuslaitteiden ja ionoforisten karbonyylisyanidi-m-kloorifenyylihydratsiinin (CCCP), nigeriinin ja valinomysiinin käsittelyn

Kokosolukineettiset mittaukset paljastivat, että T. roseum hapettaa H2: n ja CO: n tehokkaasti useilla eri pitoisuuksilla hydrogenaasi-ja hiilimonoksididehydrogenaasiaktiivisuuden avulla. Viljelmissä entsyymien näennäinen nopeus on kohtalainen (Vmax app 376 nmol H2 ja 149 nmol CO G−1 proteiinia min−1) ja kohtalainen affiniteetti (Km app 569 nM H2 ja 285 nM CO) näille substraateille (Kuva. 2C, D; taulukko S2). Hiilimonoksididehydrogenaasin osalta nämä havainnot ovat yhdenmukaisia sen kanssa, että eliö pystyy hyödyntämään CO: ta kohonneina pitoisuuksina kasvuun ja ilmakehän pitoisuuksina pysyvyyteen. Ryhmän 1h-hydrogenaasin näennäiset kineettiset parametrit muistuttavat enemmän verrucomicrobial methanotroph Methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM)-organismille äskettäin kuvattuja parametreja kuin aiemmin kuvattujen ilmakehän H2-haaskaeläinten (Km < 50 nM) korkea-affiniteettisia, matala-aktiivisia hydraaseja (Km < 50 nM). Kaiken kaikkiaan nämä havainnot viittaavat siihen, että T. roseum voi hyödyntää kohonneita H2-ja CO-pitoisuuksia, kun ne ovat saatavilla geotermisen aktiivisuuden kautta, ja pysyä muutoin näiden kaasujen pitoisuuksissa ilmakehässä.

todettujen kokosolujen aktiviteettien mukaisesti solu-lysaatit kulkevat natiiveilla polyakryyliamidigeeleillä, jotka värjäävät voimakkaasti hydrogenaasi-ja hiilimonoksididehydrogenaasiaktiivisuutta (Kuva. 2 e). Päävyöhykkeiden molekyylipaino oli vastaavasti hiilimonoksididehydrogenaasidimeerin oletetussa molekyylipainossa ja hieman hydrogenaasidimeerin oletettua molekyylipainoa pienempi . Tämä on yhteensopiva muilla eliöillä tehtyjen biokemiallisten tutkimusten kanssa, joiden mukaan tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasit ja ryhmän 1h-hydrogenaasit muodostavat homodimeerejä . Seuraavaksi varmistimme, että hydrogenaasi kytkettiin hengitystieketjuun mittaamalla H2-hapettumista H2-elektrodilla aerobisissa olosuhteissa. Käsittelemättömät solut hapettavat H2: n nopeasti. Tämä aktiivisuus väheni 2,5-kertaiseksi, kun siihen lisättiin CCCP-respiratorialääke, ja lakkasi, kun siihen lisättiin ionoforivalinomysiini, kun taas protonoforisen nigerisiinin kanssa ei havaittu merkittävää muutosta H2-hapetusluvussa (Kuva. 2). Näiden tulosten yhdistelmä viittaa siihen, että vedyn hapettuminen on tiiviisti kytköksissä hengitysketjuun ja tämä vuorovaikutus voi liittyä kalvon sähkögradienttiin (Δψ), mutta ei pH-gradienttiin (ΔpH).

Transkriptomi-analyysin ja aktiivisuustutkimusten tulokset viittaavat siis siihen, että T. roseum säilyy ilmakehän H2: n ja CO: n hapettumisen kautta. Ehdotamme, että ryhmän 1h-hydrogenaasi ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasi käyttävät suoraan ilmakehän H2: sta ja CO: sta johdettuja elektroneja aerobisen hengityksen tukemiseen (Kuva. 1d). On todennäköistä, että nämä elektronit välittyvät elektroninkantajien kautta menakinonipooliin ja siirtyvät sen jälkeen terminaalioksidaaseihin. Lisätutkimuksia tarvitaan kuitenkin sen varmistamiseksi, miten nämä proteiinit toimivat ja fysikaalisesti vaikuttavat hengitysketjuun, mukaan lukien niiden sijainti ja minkä elektroninkantajien kanssa ne ovat vuorovaikutuksessa. Kloroflexin geneettisen sitkeyden ja spesifisten hydrogenaasi-tai hiilimonoksididehydrogenaasi-inhibiittorien puutteen vuoksi emme myöskään pystyneet määrittämään joko H2: n tai CO: n hapettumisen tarvetta tämän organismin pitkäaikaiselle eloonjäämiselle. Aiemmat tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että ryhmän 1h-hydrogenaasin geneettinen poisto vähentää M. smegmatis-ja Streptomyces avermitilis exospores-solujen pitkäikäisyyttä .

ilmakehän kaasujen kerääminen on mahdollisesti yleinen pysyvyysstrategia aerobisissa heterotrofisissa Kloroflexeissä

, jotka on osoitettu, että T. roseum hapettaa ilmakehän jäämäkaasuja pysyvyyden aikana, tutkimme myöhemmin, onko tämä yhteinen strategia, jota Kloroflexi käyttää. Analysoimme ensin thermogemmatispora sp: n hengitystoiminnot. T81, heterotrofinen sellulolyyttinen ja sporuloiva termofiili, jonka eristimme geotermisestä maaperästä Tikiterestä Uudesta-Seelannista . Organismin genomin analyysi (Kokoonpanotunnus: GCA_003268475.1) osoitti, että se koodaa T: n kaltaisia hengitysketjun ydinkomponentteja. roseum, mukaan lukien primääriset dehydrogenaasit (nuo, ndh, sdh), terminaaliset oksidaasit (cox, Syo) ja ATP-syntaasi (atp). Genomi koodaa myös ryhmän 1h-hydrogenaasin rakenteellisille alayksiköille, tämän hydrogenaasin kypsymistekijöille ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasin rakenteellisille alayksiköille putatiivisia operoneja (Kuva S3). Thermogemmatispora sp: stä puuttuvat kuitenkin T. roseumin koodaamien putatiivisten heterodisulfidireduktaasi-ja ETF-kompleksien homologiat. T81 genomi.

varmistimme, että thermogemmatispora sp: n sporuloivat viljelmät. T81 kuluttaa aktiivisesti H2: ta ja CO: ta. Eliö hapetti hitaasti käytettävissä olevan H2: n ja CO: n päätilassa ilmakehän alatasoille (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) ~320 tunnin aikana (Kuva. 3 A, b). Vaikka tämän kannan on aiemmin osoitettu hapettavan hiilimonoksidia , tämä on ensimmäinen havainto, että se voi tehdä niin ilmakehän alittaville pitoisuuksille ja pysyvyyden aikana. Nämä tulokset viittaavat siihen, että huolimatta erillisistä evoluutiohistoriastaan ja ekologisista lokeroistaan Thermogemmatispora sp. T81 ja T. roseum ovat molemmat kehittäneet samanlaisia metabolisia strategioita selviytyäkseen ravinteiden rajoittamisesta.

Hydrogenaasi – ja hiilimonoksididehydrogenaasiaktiivisuus Thermogemmatispora sp. T81 sporttauksen aikana. Molekyylivetyjen (H2; A) ja hiilimonoksidin (CO; b) hapettuminen ilmakehän alatasoille thermogemmatispora sp. T81-kulttuurit. Virhepalkit osoittavat kolmen biologisen toisinnon keskihajonnat, joissa lämpökuolleita soluja seurataan negatiivisena kontrollina (harmaat murskatut viivat). H2: n ja CO: n sekoitussuhteet esitetään logaritmisella asteikolla ja katkoviivoilla esitetään keskimääräiset ilmakehän sekoitussuhteet H2 (0,53 ppmv) ja CO (0.10 ppmv)

Hydrogenaasien ja hiilimonoksididehydrogenaasien jakautumisen analysointi julkisesti saatavilla olevissa referenssigenomeissa osoitti, että geneettinen kyky jäljittää kaasujäämiä on yhteinen piirre aerobisten Kloroflexien keskuudessa. Erityisesti ryhmän 1h-hydrogenaasit ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasit koodattiin kolmeen neljästä referenssigenomista Termomikrobien (Luokka Klorofleksia) sisällä ja neljään viidestä referenssigenomista Ktedonobakteerien (Luokka Ktedonobakteerit) sisällä (Fig. 4 A, b). Jälkimmäiseen kuuluvat heterotrofisen maabakteerin ktedonobacter racemiferin ja nitriittiä hapettavan bioreaktorin isolaatin Nitrolancea hollandican genomit . Lisäksi seitsemän fotosynteettiseen lahkoon kuuluvaa kantaa, jotka koodaavat ryhmän 1F ja / tai ryhmän 2a-hydrogenaaseja (Kuva S4). Näiden hydrogenaasiluokkien on osoitettu välittävän aerobista H2-hapettumista useissa bakteereissa, mukaan lukien happobakteerien ailaaui ja M. smegmatis ilmakehän alapuolella olevat pitoisuudet. Lisäksi metatranscriptome-tutkimus paljasti, että Roseiflexus-lajien ryhmän 1F-hydrogenaasin homologeja esiintyy runsaasti geotermisissä mikrobimatoissa öisin . Siksi on todennäköistä, että aerobisen H2-hengityksen ja mahdollisesti ilmakehän H2-hapettumisen ominaisuudet ulottuvat tämän pääjakson yhteyttäviin kantoihin. Joukko metagenomien koottuja genomeja , muun muassa runsaasta kandidaattiluokasta Ellin6529, koodasi myös aerobisen H2: n ja CO-hapettumisen geenejä (Kuva S4 & S5). Aiempien raporttien mukaisesti Dehalococcoidia koodaa ryhmän 1a-hydrogenaaseja, joiden tiedetään helpottavan dehaloirespiraatiota .

ryhmän 1h-hydrogenaasin ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasin evoluutiohistoria. Fylogeneettiset puut, jotka osoittavat ryhmän 1h-hydrogenaasin (hhyL; a) ja tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasin (coxL; b) katalyyttisten (suurten) alayksiköiden levinneisyyden ja evoluutiohistorian pääjaksossa Chloroflexi. Kloroflexisekvenssit (merkitty luokittain) on lihavoitu vertailusekvensseihin (merkitty pääjaksolla). Puut rakennettiin käyttämällä aminohapposekvenssejä maksimitodennäköisyysmenetelmällä (aukkoja käsiteltiin osittaisella poistolla) ja ne bootstrapattiin 100 toistolla. Puut juurrutettiin ryhmän 1g-hydrogenaasisekvensseillä (WP_011761956.1, WP_048100713.1) ja tyypin II hiilimonoksididehydrogenaasisekvensseillä (WP_011388721.1, WP_012893108.1). Muiden hengitysteihin kertyvien hydrogenaasien jakautuminen genomeissa ja metagenomikoostuneiden genomien (MAGs) jakautuminen pääjaksossa Chloroflexi on esitetty kuvassa S4. Tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasien jakautuminen metagenomikoostuneissa genomeissa (MAGs) pääjaksossa Chloroflexi on esitetty kuvassa S5

analyysimme viittaavat siihen, että ilmakehän H2-ja CO-hapettumiskyky on saattanut kehittyä kaksi tai useampia kertoja Kloroflexissä. Fylogeneettisten puiden mukaan Klorofleksian ja Ktedonobakteerien 1h-hydrogenaasien ryhmä on divergentti ja jakautuu kahteen erilliseen, vankasti tuettuun haaraan (viikuna. 4 A). Siksi on todennäköisempää, että Klorofleksia ja Ktedonobakteerit hankkivat nämä entsyymit itsenäisesti esimerkiksi horisontaalisten geeninsiirtotapahtumien seurauksena muista Terrabakteereista sen sijaan, että olisivat perineet ne vertikaalisesti yhteiseltä esi-isältä. Fylogeneettinen analyysi viittaa myös siihen, että tyypin I hiilimonoksididehydrogenaasi on saattanut myös hankkia kaksi tai kolme kertaa tähän pääjaksoon (Fig. 4b). T. roseumissa (Kuva S2) ja Thermogemmatispora sp. T81 (Kuva S3) on järjestetty selvästi. Esimerkiksi hiilimonoksididehydrogenaasin rakenne-ja lisätekijät koodataan Thermogemmatispora sp: ssä yhteen putatiiviseen operoniin. T81 (coxMSLIG), mutta on erotettu rakenteelliseksi operoniksi (coxGSLM) ja lisävarusteoperoniksi (myös coxG ja coxE) T. roseumissa. Nämä havainnot ovat yhtäpitäviä aiempien päätelmien kanssa hhyL-ja coxL-geenien horisontaalisesta leviämisestä ja viittaavat siihen, että pysyvyyttä tukevien metaboliaentsyymien hankintaan kohdistuu voimakas selektiivinen paine. Muita selityksiä niiden havainnoille ei kuitenkaan voida sulkea pois, ja lisäanalyysiä tarvitaan hydrogenaasien ja hiilimonoksididehydrogenaasien monimutkaisten evoluutiohistorioiden selvittämiseksi.

metabolisen joustavuuden ekologinen ja biogeokemiallinen merkitys Kloroflexissä

pääjaksosta Kloroflexi peräisin olevat aerobiset heterotrofiset bakteerit ovat metabolisesti monipuolisempia kuin aiemmin on luultu. Transkriptomian analyysit osoittavat selvästi, että T. roseum säätelee metaboliaansa reagoidessaan ravinteiden rajoitukseen mahdollistaen eksogeenisten epäorgaanisten yhdisteiden ja todennäköisesti endogeenisten hiilivarantojen säilymisen. Tämän tueksi kaasukromatografiamittaukset osoittivat, että bakteeri hapettaa H2: n ja CO: n tehokkaasti ilmakehän alittaviksi pitoisuuksiksi aerobisen hengitysprosessin jatkuessa. Teimme samanlaisia löydöksiä ktedonobakteeri-isolaatista Thermogemmatispora sp. T81, mikä viittaa siihen, että jäämäkaasujen keräys saattaisi olla aerobisen Kloroflexin yleinen pysyvyysstrategia. Primaarisekvenssin fylogeny-ja operonirakenteen analyysit osoittavat, että ryhmän 1 h-hydrogenaasit ja hiilimonoksididehydrogenaasit näiden eliöiden sisällä jakautuvat eri kladeihin ja ovat suhteellisen erisuuntaisia. Näin ollen on todennäköistä, että nämä eliöt ovat vaakatasossa saaneet kyvyn hapettaa ilmakehän H2: ta ja CO: ta erillisten tapahtumien kautta, vaikka muut selitykset ovat mahdollisia. Näennäinen konvergenssi pysyvyysstrategioissa on huomattava ottaen huomioon näiden bakteerien erilliset evoluutiohistoriat, pysyvyysmorfologiat (eli sporulaatio T81: ssä) ja ekologiset lokerot. Luonnonvarojen yleistyminen on siis todennäköisesti yhteinen ekologinen strategia Kloroflexin selviytymiseksi ympäristöissä, joissa orgaanista hiiltä ja muita ravinteita saattaa ajoittain olla niukasti.

laajemmin nämä havainnot antavat puhtaan viljelmän tuen hypoteesille, jonka mukaan ilmakehän hiilimonoksidi toimii pysyvyyden energianlähteenä . Havaintomme viittaavat siihen, että hiilimonoksididehydrogenaasin ilmentyminen ja aktiivisuus on yhteydessä pysyvyyteen, ja tarjoavat todisteita siitä, että ilmakehän CO voi toimia aerobisen hengitystieketjun elektronien luovuttajana tässä tilassa. Ilmakehän H2: n tavoin ilmakehän CO on todennäköisesti luotettava energianlähde mikrobien eloonjäämiselle, kun otetaan huomioon sen ubikviteetti, diffusoitavuus ja energiatiheys. Kun nämä löydökset yhdistetään laajempaan kirjallisuuteen, on todennäköistä, että ilmakehän KOOKSIDAATIO on yleinen strategia, joka tukee aerobisten heterotrofisten bakteerien pitkäaikaista selviytymistä. Useiden heterotrofisten bakteerien onkin aiemmin päätelty pystyvän hapettamaan ilmakehän hiilidioksidia, mukaan lukien Proteobakteerit , Aktinobakteerit ja thermogemmatispora-kanta . Lisäksi muut aineistot ovat osoittaneet, että hiilimonoksididehydrogenaasiekspressio aktivoituu ravinteiden rajoittamisen aikana muissa aerobisissa organismeissa . Toisin kuin ilmakehän H2, on kuitenkin vielä validoitava geneettisillä ja biokemiallisilla tutkimuksilla, että ilmakehän CO-oksidaatio voi parantaa bakteerien selviytymistä pysyvyyden aikana. Aiempien aktiivisuusperusteisten mittausten mukaisesti transkriptomi-analyysi osoittaa, että T. roseum ilmaisee hiilimonoksididehydrogenaasia suurina pitoisuuksina kasvun aikana. Toisin kuin karboksidotrofit, kuten Oligotrofa-karboksidovoraanit, T. roseum karboksidivaahtona ei voi kasvaa kemolitoautotrofisesti, vaan se näyttää käyttävän CO: ta ylimääräisenä energianlähteenä heterotrofisen kasvun aikana. T. roseum-hiilimonoksididehydrogenaasin laaja kineettinen alue kokonaisissa soluissa todennäköisesti mahdollistaa sen, että tämä isolaatti sekä säilyy kaikkialla saatavilla olevalla ilmakehän CO: lla että kasvaa mixotrofisesti mikroympäristöissä, joissa CO: ta on saatavilla korkeina pitoisuuksina (jopa 6000 ppmv) geotermisen aktiivisuuden avulla .

lopuksi tässä tutkimuksessa Kloroflexi vahvistetaan kolmanneksi pääjaksoksi, jonka on kokeellisesti osoitettu keräävän ilmakehän H2: ta Aktinobakteerien ja Acidobakteerien jälkeen . Tässä esitetyt löydökset ovat samanlaisia kuin aiemmin raportoidut aktinobacterium Mycobacterium smegmatis-ja acidobacterium Pyrinomonas metyylialifatogenes-bakteereista , joissa molemmissa myös siirrytään heterotrofisesta hengityksestä ilmakehän H2-hapetukseen vastauksena energian rajoittamiseen, myös ilmentämällä ryhmän 1h-hydraaseja. Koska vähintään neljä muuta viljeltyä fyla (Kuva. 4a) ja kaksi ehdokasfylaa koodaavat myös ryhmän 1h-hydrogenaaseja, näyttää yhä todennäköisemmältä, että ilmakehän H2 toimii aerobisten heterotrofisten bakteerien yleisenä energianlähteenä. Havainto on myös mahdollisesti biogeokemiallisesti merkittävä, sillä aerobisten maaperän bakteerien tiedetään olevan tärkein nielu globaalissa vetykierrossa . Lisätyötä tarvitaan kuitenkin sen testaamiseksi, ulottuvatko nämä periaatteet mesofiilisissä maaperäympäristöissä eläviin vielä arvoituksellisiin Kloroflexilajeihin.