Due Chloroflexi classi in modo indipendente sviluppato la capacità di persistere in atmosfera di idrogeno e monossido di carbonio

Thermomicrobium roseum sopraregola le idrogenasi e monossido di carbonio deidrogenasi espressione durante una risposta coordinata alla fame dei nutrienti

Abbiamo confrontato il transcriptomes di triplice copia T. roseum culture sotto ricca di nutrienti (in crescita esponenziale) e limitata nutrienti (fase stazionaria) condizioni. Un totale di 401 geni sono stati significativamente sovraregolati e 539 geni sono stati significativamente downregolati di almeno due volte (p < 10-6) in risposta alla limitazione dei nutrienti (Fig. 1a; Tabella S1). Sono state osservate tre tendenze principali per quanto riguarda l’acquisizione e l’utilizzo di energia. In primo luogo, i geni associati a processi energeticamente costosi sono stati downregolati, compresi quelli che codificano le proteine ribosomiali, gli enzimi di biosintesi del citocromo c e del menaquinone e l’apparato chemiotattico e flagellare codificato con megaplasmide (Tabella S1). In secondo luogo, sono state riscontrate prove di mobilizzazione di depositi interni di carbonio, tra cui un complesso di acetoina deidrogenasi e un complesso di flavoproteine a trasferimento di elettroni (ETF). In terzo luogo, i profili di espressione indicano che vi è un ampio rimodellamento della catena respiratoria. Due deidrogenasi respiratorie primarie coinvolte nella crescita eterotrofica (NADH deidrogenasi di tipo I e II) sono state downregolate, mentre i complessi coinvolti nella generazione di energia litotrofica e una succinato deidrogenasi sono stati upregolati (Fig. 1a; Tabella S1). In entrambe le condizioni, le ossidasi terminali che mediano la respirazione aerobica erano altamente espresse e non c’era evidenza dell’uso di altri accettori di elettroni; la citocromo aa3 ossidasi era espressa in entrambe le fasi e la citocromo bo3 ossidasi alternativa era sovraregolata durante la fase stazionaria. Al contrario, la F1FO-ATPasi (ATP sintasi) è stata ridotta, un risultato coerente con una diminuzione prevista della disponibilità di donatori di elettroni respiratori durante la limitazione dei nutrienti (Tabella S1).

Espressione genica differenziale di colture ricche di nutrienti (fase esponenziale) e limitate di nutrienti (fase stazionaria) di Thermomicrobium roseum. un diagramma di vulcano che mostra il cambiamento relativo di espressione dei geni che seguono la limitazione nutriente. Il fold-change mostra il rapporto tra l’abbondanza di trascrizione normalizzata di tre colture di fase stazionarie divise da tre colture di fase esponenziale (repliche biologiche). Ogni gene è rappresentato da un punto grigio e i geni respiratori sono evidenziati secondo la legenda. b, c Mappe termiche dell’abbondanza normalizzata degli operoni putativi che codificano le subunità strutturali del gruppo 1h-idrogenasi (HYLS; b) e monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi (coxLSM; c). I conteggi letti per milione di kilobase (RPKM) sono indicati per tre repliche biologiche in crescita esponenziale e tre in fase stazionaria. HP = proteina ipotetica. d Regolazione differenziale dei complessi respiratori mediando la respirazione aerobica di composti organici ed inorganici. I complessi sono ombreggiati in modo differenziato a seconda che siano significativamente sovraregolati (verde), downregolati (arancione) o invariati (grigio) in nutrienti limitati rispetto alle colture ricche di nutrienti. I nomi dei geni, i numeri di loci e le variazioni medie della piega nell’abbondanza del trascrittoma sono mostrati per ogni complesso. 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. rosa

Thermomicrobium roseum upregulates i geni connessi con il metabolismo di CO e di H2 nelle circostanze nutrienti-limitanti. I geni che codificano le subunità strutturali di un gruppo 1h-idrogenasi( hhyLS; trd_1878–1877), che sono una classe di enzimi tolleranti all’ossigeno noti per mediare l’ossidazione atmosferica H2, sono stati sovraregolati in media di 12,6 volte (Fig. 1 ter). Anche upregulated erano le proteine ipotetiche conservate hhaABC (trd_1876–1874; 5.5-fold), codificato sullo stesso operone putativo delle subunità strutturali, nonché un operone putativo separato dei fattori di maturazione (trd_1873–1863; 3.1-fold) (Figura S2; Tabella S1). Le subunità strutturali (trd_1206–1208) e di maturazione (trd_1209–1215) che codificano una monossido di carbonio deidrogenasi di tipo I sono state regolate in media di due volte (Fig. 1c & S2) in risposta alla limitazione dei nutrienti. Coerentemente con precedenti segnalazioni di utilizzo del CO durante la crescita in questo organismo , i geni della monossido di carbonio deidrogenasi erano altamente espressi in colture sia in fase esponenziale che stazionaria. (Fico. 1c; Tabella S1). Ciò suggerisce che T. roseum utilizza CO per integrare il carbonio organico disponibile durante la crescita (mixotrofia) e la persistenza. Questi risultati sono sostanzialmente simili alle osservazioni fatte in altri phyla, in particolare Actinobacteria e Proteobacteria, che l’espressione di idrogenasi e monossido di carbonio deidrogenasi è indotta dalla limitazione del carbonio organico .

Nel complesso, il più grande differenziale nell’espressione genica ha coinvolto un cluster di 19 geni (trd_0160-0142) presumibilmente coinvolto nell’ossidazione dei composti dello zolfo. Il cluster contiene gene che codifica una ipotetica eterodisolfuro reduttasi solubile (hdrABC), un complesso flavoproteico a trasferimento elettronico (etfAB), tre proteine portatrici di zolfo (tusA, dsrE1, dsrE2), tre proteine leganti il lipoato (lbpA) e varie proteine ipotetiche, che vengono regolate in media di 45 volte durante la persistenza. La maggior parte di questi componenti ha omologhi in un sistema recentemente dimostrato di mediare l’ossidazione di diversi composti organici e inorganici di zolfo in Hyphomicrobium denitrificans . Un ruolo di questo cluster può essere quello di mediare l’attivazione e l’ossidazione di composti contenenti tiolo endogeni o esogeni. Per ottenere ciò, prevediamo che il complesso Hdr catalizzi la formazione di legami disolfuro tra il composto tiolico e una proteina portatrice di zolfo (ad esempio, TusA); il complesso Hdr trasferisce quindi gli elettroni liberati nella catena respiratoria, possibilmente tramite il complesso ETF. A sostegno di questa nozione, l’ossidazione del tiolo a disolfuro è exergonica con l’ossigeno come accettore terminale dell’elettrone. Mentre i complessi Hdr sono meglio caratterizzati per il loro ruolo nella riduzione eterodisolfuro in archaea metanogenica , sono stati studiati anche in batteri ossidanti e solfato-riducenti, dove sono stati previsti per essere fisiologicamente reversibili . Coerentemente, il complesso Hdr di T. roseum è più strettamente correlato a quelli dei ceppi Sulfobacillus, Hyphomicrobium e Acidithiobacillus ossidanti . Sembra plausibile che T. roseum trarrebbe beneficio da un vantaggio di sopravvivenza se potesse sfruttare composti di zolfo ridotti disponibili nelle sorgenti geotermiche. Tuttavia, sono necessari ulteriori lavori per verificare l’attività, i substrati e il ruolo fisiologico di questo sistema.

Collettivamente, questi risultati mostrano che T. roseum è più metabolicamente flessibile di quanto si pensasse in precedenza. Fico. 1d illustra il rimodellamento previsto della catena respiratoria che si verifica durante il passaggio da condizioni ricche di nutrienti a condizioni limitate di nutrienti. L’upregulation degli enzimi in questione nello sfruttamento dei composti inorganici, insieme con il downregulation dei gruppi genici in questione nell’ossidazione di NADH, suggerisce che T. roseum ha evoluto meccanismi per mantenere la respirazione aerobica nonostante le fluttuazioni dei nutrienti e la privazione all’interno del suo ambiente.

T. roseum ossida aerobicamente H2 e CO a un’ampia gamma di concentrazioni, compresi i livelli sub-atmosferici, durante la persistenza

Gli alti livelli di espressione per i geni che codificano per il gruppo 1h-idrogenasi e la monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi hanno suggerito che T. roseum può supportare la persistenza ossidando H2 e CO atmosferici. Per testare questo, abbiamo incubato colture di T limitate ai nutrienti. roseum in uno spazio di testa dell’aria ambiente integrato con ~14 ppmv di H2 o CO e monitorato il loro consumo utilizzando la gascromatografia. In accordo con la nostra ipotesi, le colture hanno ossidato aerobicamente entrambi i gas in un processo cinetico del primo ordine; entro 71 h, i rapporti di miscelazione di questi gas (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) erano cinque volte al di sotto dei livelli atmosferici (Fig. 2 bis, lettera b). Ciò costituisce la prima osservazione sia della respirazione aerobica H2 che dell’ossidazione atmosferica H2 all’interno del phylum Chloroflexi.

Idrogenasi e monossido di carbonio deidrogenasi attività delle colture Thermomicrobium roseum durante la limitazione dei nutrienti. a, b Ossidazione dell’idrogeno molecolare (H2; a) e del monossido di carbonio (CO; b) a livelli sub-atmosferici mediante colture di T. roseum. Le barre di errore mostrano deviazioni standard di tre repliche biologiche, con cellule uccise dal calore monitorate come controllo negativo (linee tratteggiate grigie). I rapporti di miscelazione di H2 e CO sono visualizzati su una scala logaritmica e le linee tratteggiate mostrano i rapporti di miscelazione atmosferici medi di H2 (0,53 ppmv) e CO (0,10 ppmv). c, d Parametri cinetici apparenti dell’ossidazione di H2 (c) e CO (d) da parte delle cellule intere di T. roseum. Le curve di best fit e i parametri cinetici sono stati calcolati sulla base di un modello di regressione non lineare di Michaelis–Menten. I valori calcolati in base ai grafici Lineweaver-Burk, Hanes-Woolf e Eadie-Hofstee sono mostrati nella Tabella S2. e Osservazione zimografica dell’attività dell’idrogenasi e del monossido di carbonio deidrogenasi nei lisati a cellule intere di T. roseum. Le prime due corsie mostrano la proteina ladder e la proteina intera macchiata di blu Coomassie. La terza e la quarta corsia mostrano l’attività dell’idrogenasi e del monossido di carbonio deidrogenasi macchiata con l’accettore elettronico artificiale nitroblue tetrazolium in un’atmosfera ricca di H2 e CO-ricca rispettivamente. f Misure amperometriche dell’attività dell’idrogenasi nelle cellule intere di T. roseum. Il tasso di ossidazione H2 è stato misurato con un elettrodo di idrogeno prima e dopo il trattamento con gli sganciatori respiratori e ionofori carbonil cianuro m-clorofenil idrazina (CCCP), nigericina e valinomicina

Le misurazioni cinetiche a cellule intere hanno rivelato che T. roseum ossida in modo efficiente H2 e CO in un’ampia gamma di concentrazioni attraverso l’attività dell’idrogenasi e del monossido di carbonio deidrogenasi. Nelle colture, gli enzimi mostrano una moderata velocità apparente (Vmax app di 376 nmol H2 e 149 nmol CO g-1 della proteina min-1) e una moderata affinità apparente (Km app di 569 nM H2 e 285 nM CO) per questi substrati (Fig. 2c, d; Tabella S2). Per quanto riguarda il monossido di carbonio deidrogenasi, queste osservazioni sono coerenti con il fatto che l’organismo è in grado di utilizzare CO a concentrazioni elevate per la crescita e concentrazioni atmosferiche per la persistenza. I parametri cinetici apparenti del gruppo 1h-idrogenasi sono più simili a quelli recentemente descritti per il verrucomicrobico methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM) rispetto alle idrogenasi ad alta affinità e bassa attività degli spazzini atmosferici H2 precedentemente descritti (Km < 50 nM). Complessivamente, questi risultati suggeriscono che T. roseum può sfruttare le elevate concentrazioni di H2 e CO quando disponibili attraverso l’attività geotermica e sussistere sulle concentrazioni atmosferiche di questi gas altrimenti.

Coerentemente con le attività delle cellule intere osservate, i lisati cellulari funzionano su gel nativi di poliacrilammide fortemente colorati per l’attività dell’idrogenasi e del monossido di carbonio deidrogenasi (Fig. 2e). Il peso molecolare delle bande principali era, rispettivamente, al peso molecolare previsto per un dimero di monossido di carbonio deidrogenasi e leggermente al di sotto del peso molecolare atteso di un dimero idrogenasi . Ciò è compatibile con gli studi biochimici in altri organismi che hanno indicato le deidrogenasi del monossido di carbonio di tipo I e gli omodimeri della forma delle 1h-idrogenasi del gruppo . Successivamente abbiamo verificato che l’idrogenasi è stata accoppiata alla catena respiratoria misurando l’ossidazione H2 utilizzando un elettrodo H2 in condizioni aerobiche. Le cellule non trattate hanno ossidato H2 ad una velocità rapida. Questa attività è diminuita di 2,5 volte dopo l’aggiunta del CCCP di sganciamento respiratorio e cessata dopo l’aggiunta dello ionoforo valinomicina, mentre nessun cambiamento significativo nel tasso di ossidazione H2 è stato osservabile con il protonoforo nigericina (Fig. 2 septies). La combinazione di questi risultati suggerisce che l’ossidazione dell’idrogeno è strettamente accoppiata alla catena respiratoria e questa interazione può essere legata al gradiente elettrico (δψ), ma non al gradiente di pH (ΔpH), della membrana.

I risultati dell’analisi del trascrittoma e degli studi sull’attività suggeriscono quindi che T. roseum persiste attraverso l’ossidazione di H2 e CO atmosferici. Proponiamo che il gruppo 1h-idrogenasi e il monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi utilizzino direttamente elettroni derivati da H2 e CO atmosferici per supportare la respirazione aerobica (Fig. 1d). È probabile che questi elettroni siano inoltrati tramite portatori di elettroni nel pool di menachinoni e successivamente trasferiti alle ossidasi terminali. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per confermare come queste proteine interagiscono funzionalmente e fisicamente con la catena respiratoria, compresa la loro localizzazione e con quali portatori di elettroni interagiscono. A causa dell’intrattabilità genetica del Cloroflexi e della mancanza di specifici inibitori dell’idrogenasi o del monossido di carbonio deidrogenasi, non siamo stati in grado di determinare la necessità dell’ossidazione H2 o CO per una sopravvivenza prolungata per questo organismo. Tuttavia, studi precedenti hanno dimostrato che la delezione genetica del gruppo 1h-idrogenasi riduce la longevità delle cellule di M. smegmatis e Streptomyces avermitilis exospores .

Lo scavenging dei gas atmosferici è potenzialmente una strategia comune di persistenza all’interno del Cloroflexi eterotrofico aerobico

Avendo dimostrato che T. roseum ossida i gas in tracce atmosferiche durante la persistenza, successivamente abbiamo studiato se questa è una strategia comune utilizzata dal Cloroflexi. Per prima cosa abbiamo analizzato le capacità respiratorie di Thermogemmatispora sp. T81, un termofilo cellulolitico e sporulante eterotrofico, che abbiamo precedentemente isolato dai terreni geotermici di Tikitere, in Nuova Zelanda . L’analisi del genoma dell’organismo (ID Assembly: GCA_003268475.1) ha indicato che codifica i componenti della catena respiratoria centrale simili a T. roseum, comprese le deidrogenasi primarie (nuo, ndh, sdh), ossidasi terminali (cox, cyo) e ATP sintasi (atp). Il genoma codifica anche operoni putativi per le subunità strutturali di un gruppo 1h-idrogenasi, i fattori di maturazione di questa idrogenasi, e subunità strutturali di un tipo I monossido di carbonio deidrogenasi (Figura S3). Tuttavia, gli omologhi della putativa eterodisolfuro reduttasi e dei complessi ETF codificati da T. roseum sono assenti dalla Termogemmatispora sp. Genoma T81.

Abbiamo verificato che le colture sporulanti di Thermogemmatispora sp. T81 consuma attivamente H2 e CO. L’organismo ha ossidato lentamente H2 e CO disponibili nello spazio di testa a livelli sub-atmosferici (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) su ~320 h (Fig. 3 bis, lettera b). Sebbene questo ceppo abbia precedentemente dimostrato di ossidare il monossido di carbonio , questa è la prima osservazione che può farlo alle concentrazioni sub-atmosferiche e durante la persistenza. Questi risultati suggeriscono che, nonostante le loro distinte storie evolutive e nicchie ecologiche, Thermogemmatispora sp. T81 e T. roseum hanno entrambi sviluppato strategie metaboliche simili per sopravvivere alla limitazione dei nutrienti.

Idrogenasi e monossido di carbonio deidrogenasi attività di Thermogemmatispora sp. T81 durante la sporulazione. Ossidazione dell’idrogeno molecolare (H2; a) e del monossido di carbonio (CO; b) a livelli sub-atmosferici mediante Termogemmatispora sp. Colture T81. Le barre di errore mostrano deviazioni standard di tre repliche biologiche, con cellule uccise dal calore monitorate come controllo negativo (linee tratteggiate grigie). I rapporti di miscelazione di H2 e CO sono visualizzati su una scala logaritmica e le linee tratteggiate mostrano i rapporti di miscelazione atmosferici medi di H2 (0,53 ppmv) e CO (0.10 ppmv)

L’analisi della distribuzione di idrogenasi e monossido di carbonio deidrogenasi all’interno di genomi di riferimento disponibili al pubblico ha mostrato che la capacità genetica per lo scavenging di gas in tracce è un tratto comune tra i Cloroflexi aerobici. In particolare, il gruppo 1h-idrogenasi e il monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi sono stati codificati in tre dei quattro genomi di riferimento all’interno dei termomicrobici (classe Cloroflessia) e quattro dei cinque genomi di riferimento all’interno dei Ktedonobacteriales (classe Ktedonobacteria) (Fig. 4 bis, lettera b). Quest’ultimo comprende i genomi del batterio eterotrofico del suolo Ktedonobacter racemifer e il bioreattore nitrito-ossidante isolato Nitrolancea hollandica . Inoltre, sette ceppi all’interno dell’ordine fotosintetico Cloroflexales hanno codificato il gruppo 1f e/o il gruppo 2a-idrogenasi (Figura S4). Queste classi di idrogenasi hanno dimostrato di mediare l’ossidazione aerobica H2 in una gamma di batteri, comprese le concentrazioni sub-atmosferiche rispettivamente in Acidobacterium ailaui e M. smegmatis . Inoltre, uno studio sul metatranscriptoma ha rivelato che gli omologhi del gruppo 1f-idrogenasi delle specie di Roseiflexus sono altamente espressi nelle stuoie microbiche geotermiche durante la notte . Quindi, è probabile che i tratti della respirazione aerobica H2 e possibilmente dell’ossidazione atmosferica H2 si estendano ai ceppi fotosintetici di questo phylum. Una gamma di genomi metagenomi assemblati, tra cui l’abbondante classe candidata Ellin6529, ha anche codificato i geni per l’ossidazione aerobica H2 e CO (Figura S4 & S5). Coerentemente con i rapporti precedenti, i dealococcoidi codificano le idrogenasi del gruppo 1a note per facilitare la dealorespirazione .

Storia evolutiva del gruppo 1h-idrogenasi e monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi. Alberi filogenetici che mostrano la distribuzione e la storia evolutiva delle subunità catalitiche (grandi) del gruppo 1h-idrogenasi (hhyL; a) e monossido di carbonio di tipo I deidrogenasi (coxL; b) nel phylum Chloroflexi. Le sequenze di cloroflexi (etichettate per classe) sono indicate in grassetto rispetto alle sequenze di riferimento (etichettate per phylum). Gli alberi sono stati costruiti utilizzando sequenze di aminoacidi attraverso il metodo di massima verosimiglianza (lacune trattate con delezione parziale) e sono stati bootstrap con 100 repliche. Gli alberi erano rispettivamente radicati con sequenze di gruppo 1g-idrogenasi (WP_011761956.1, WP_048100713.1) e sequenze di monossido di carbonio deidrogenasi di tipo II (WP_011388721.1, WP_012893108.1). La distribuzione di altre idrogenasi di assorbimento respiratorio all’interno di genomi e genomi assemblati con metagenomi (MAGs) nel phylum Chloroflexi è mostrata nella Figura S4. La distribuzione del tipo di monossido di carbonio deidrogenasi entro metagenome-assemblati genomi (Riviste) nel phylum Chloroflexi è mostrato in Figura S5

le Nostre analisi suggeriscono che la capacità atmosferica H2 e CO ossidazione potrebbe essersi evoluto in due o più occasioni all’interno del Chloroflexi. Gli alberi filogenetici mostrano che il gruppo 1h-idrogenasi da Cloroflessia e Ktedonobatteri sono divergenti e cadono in due rami distinti e robusti (Fig. 4 bis). È quindi più probabile che la cloroflessia e i Ktedonobatteri abbiano acquisito autonomamente questi enzimi, ad esempio come risultato di eventi di trasferimento genico orizzontale da altri Terrabatteri, piuttosto che ereditarli verticalmente da un antenato comune. L’analisi filogenetica suggerisce anche che il monossido di carbonio deidrogenasi di tipo I potrebbe anche essere stato acquisito in due o tre occasioni in questo phylum (Fig. 4 ter). In linea con la loro probabile acquisizione indipendente, gli operoni putativi codificano l’idrogenasi e il monossido di carbonio deidrogenasi in T. roseum (Figura S2) e Thermogemmatispora sp. T81 (Figura S3) sono chiaramente organizzati. Ad esempio, i fattori strutturali e accessori del monossido di carbonio deidrogenasi sono codificati in un singolo operone putativo in Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), ma sono separati in un operone strutturale (coxGSLM) e accessorio operon (tra cui coxG e coxE) in T. roseum. Questi risultati concordano con le precedenti inferenze sulla diffusione orizzontale dei geni hhyL e coxL e suggeriscono che esiste una forte pressione selettiva per l’acquisizione di enzimi metabolici che supportano la persistenza. Tuttavia, altre spiegazioni per le loro osservazioni non possono essere escluse e sono necessarie ulteriori analisi per svelare le complesse storie evolutive delle idrogenasi e delle monossido di carbonio deidrogenasi.

Significato ecologico e biogeochimico della flessibilità metabolica e dell’ossidazione dei gas di traccia in Chloroflexi

I batteri eterotrofi aerobici del phylum Chloroflexi sono più metabolicamente versatili di quanto si pensasse in precedenza. Le analisi del trascrittoma mostrano chiaramente che T. roseum regola il suo metabolismo in risposta alla limitazione dei nutrienti, consentendo la persistenza su una combinazione di composti inorganici esogeni e probabili riserve di carbonio endogeno. A sostegno di ciò, le misurazioni gascromatografiche hanno mostrato che il batterio ossida in modo efficiente H2 e CO fino a concentrazioni sub-atmosferiche durante la persistenza attraverso un processo respiratorio aerobico. Abbiamo fatto risultati simili per il ktedonobacterial isolate Thermogemmatispora sp. T81, suggerendo che lo scavenging del gas della traccia potrebbe essere una strategia comune di persistenza impiegata da Chloroflexi aerobico. Le analisi della filogenesi della sequenza primaria e della struttura dell’operone indicano che il gruppo 1 h-idrogenasi e il monossido di carbonio deidrogenasi all’interno di questi organismi rientrano in cladi diversi e sono relativamente divergenti. Quindi, è probabile che questi organismi abbiano acquisito orizzontalmente la capacità di ossidare H2 e CO atmosferici attraverso eventi separati, sebbene siano possibili altre spiegazioni. L’apparente convergenza nelle strategie di persistenza è notevole date le distinte storie evolutive, le morfologie di persistenza (cioè la sporulazione in T81) e le nicchie ecologiche di questi batteri. È quindi probabile che il generalismo delle risorse sia una strategia ecologica comune per la sopravvivenza del Cloroflexi in ambienti in cui il carbonio organico e altri nutrienti possono essere periodicamente scarsi.

Più in generale, questi risultati forniscono un supporto per la coltura pura per l’ipotesi che il monossido di carbonio atmosferico serva come fonte di energia per la persistenza . I nostri risultati suggeriscono che l’espressione e l’attività del monossido di carbonio deidrogenasi è legata alla persistenza e forniscono la prova che il CO atmosferico può servire come donatore di elettroni per la catena respiratoria aerobica in questa condizione. Infatti, come con H2 atmosferico, CO atmosferico è probabile che sia una fonte di energia affidabile per la sopravvivenza microbica data la sua ubiquità, diffusibilità e densità di energia. Integrando questi risultati con la letteratura più ampia, è probabile che l’ossidazione atmosferica di CO sia una strategia generale a sostegno della sopravvivenza a lungo termine dei batteri eterotrofi aerobici. In effetti, vari batteri eterotrofi sono stati precedentemente dedotti per essere in grado di ossidare il CO atmosferico, inclusi proteobatteri , actinobatteri e un ceppo Termogemmatispora . Inoltre, altri set di dati hanno dimostrato che l’espressione del monossido di carbonio deidrogenasi viene attivata durante la limitazione dei nutrienti in altri organismi aerobici . Tuttavia, a differenza dell’H2 atmosferico, resta da convalidare attraverso studi genetici e biochimici che l’ossidazione della CO atmosferica può migliorare la sopravvivenza dei batteri durante la persistenza. In linea con le precedenti misurazioni basate sull’attività , l’analisi del trascrittoma mostra che T. roseum esprime monossido di carbonio deidrogenasi ad alti livelli durante la crescita. A differenza dei carbossidotrofi come Oligotropha carboxidovorans, T. roseum come carbossidovoro non può crescere chemolithoautotrophically e invece sembra utilizzare CO come fonte di energia supplementare durante la crescita eterotrofica. L’ampia gamma cinetica del monossido di carbonio deidrogenasi di T. roseum in cellule intere consente probabilmente a questo isolato di persistere su CO atmosferico ubiquitamente disponibile e crescere mixotroficamente in microambiente in cui CO è disponibile a concentrazioni elevate (fino a 6000 ppmv) attraverso l’attività geotermica .

Infine, questo studio stabilisce Chloroflexi come il terzo phylum sperimentalmente dimostrato di pulire H2 atmosferica, dopo gli Actinobacteria e Acidobacteria . I risultati qui riportati sono simili a quelli precedentemente riportati per l’actinobacterium Mycobacterium smegmatis e l’acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes , entrambi i quali passano anche dalla respirazione eterotrofica all’ossidazione atmosferica H2 in risposta alla limitazione di energia, anche attraverso l’espressione del gruppo 1h-idrogenasi. Dati almeno altri quattro phyla coltivati (Fig. 4a) e due phyla candidati codificano anche il gruppo 1h-idrogenasi, sembra sempre più probabile che l’H2 atmosferico serva come fonte di energia generale per i batteri eterotrofi aerobici. Questa osservazione è anche potenzialmente biogeochimicamente significativa, dato che i batteri aerobici del suolo sono noti per essere il principale lavandino nel ciclo globale dell’idrogeno . Ulteriori lavori, tuttavia, sono necessari per verificare se questi principi si estendono alle specie ancora enigmatiche di Cloroflexi che abitano ambienti del suolo mesofilo.