dwie klasy Chloroflexi niezależnie ewoluowały zdolność do utrzymywania się na wodorze atmosferycznym i tlenku węgla

Thermomicrobium roseum zwiększa ekspresję hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla podczas skoordynowanej odpowiedzi na głód składników odżywczych

porównaliśmy transkryptomy trójplikalnych kultur T. roseum pod wpływem bogatych w składniki odżywcze (wzrost wykładniczy) i ograniczonych składników odżywczych (Faza stacjonarna) Warunki. W sumie 401 genów było znacząco regulowanych w górę, a 539 genów było znacząco regulowanych w dół co najmniej dwukrotnie (p < 10-6) w odpowiedzi na ograniczenie składników odżywczych (Fig. 1a; tabela S1). W odniesieniu do pozyskiwania i wykorzystania energii zaobserwowano trzy główne tendencje. Po pierwsze, geny związane z kosztownymi energetycznie procesami zostały obniżone, w tym kodujące białka rybosomalne, enzymy biosyntezy cytochromu c i menachinonu oraz kodowany megaplazmidem aparat chemotaktyczny i flagellarny (tabela S1). Po drugie, wykazano mobilizację wewnętrznych zapasów węgla, w tym kompleksu dehydrogenazy acetoinowej i kompleksu flawoproteinowego transferu elektronów (ETF). Po trzecie, profile ekspresji wskazują na rozległą przebudowę łańcucha oddechowego. Dwie pierwotne dehydrogenazy oddechowe zaangażowane w wzrost heterotroficzny (dehydrogenazy NADH typu I I II) zostały obniżone, podczas gdy kompleksy zaangażowane w wytwarzanie energii litotroficznej i dehydrogenaza bursztynianowa zostały obniżone (Fig. 1a; tabela S1). W obu warunkach końcowe oksydazy pośredniczące w oddychaniu tlenowym były silnie wyrażone i nie było dowodów na użycie innych akceptorów elektronów; oksydazę cytochromu AA3 wyrażano w obu fazach, a alternatywną oksydazę cytochromu BO3 regulowano w fazie stacjonarnej. W przeciwieństwie do tego, f1fo-Atpaza (syntaza ATP) została obniżona, co jest zgodne z oczekiwanym zmniejszeniem dostępności dawców elektronów oddechowych podczas ograniczania składników pokarmowych (tabela S1).

różnicowa ekspresja genów bogatych w składniki odżywcze (Faza wykładnicza) i ograniczonych składników odżywczych (Faza stacjonarna) kultur thermomicrobium roseum. Wykres wulkanu pokazujący względną zmianę ekspresji genów po ograniczeniu składników odżywczych. Zmiana fałdowa pokazuje stosunek znormalizowanej transkrypcji obfitości trzech stacjonarnych kultur fazowych podzielonych przez trzy wykładnicze Kultury fazowe (replikaty biologiczne). Każdy gen jest reprezentowany przez szarą kropkę, a geny oddechowe są podświetlane zgodnie z legendą. B, c mapy cieplne znormalizowanej obfitości przypuszczalnych operonów kodujących podjednostki strukturalne grupy 1h-hydrogenazy (hhyLS; b) i dehydrogenazy tlenku węgla typu i (coxLSM; C). Liczba odczytu na milion kilobaz (rpkm) jest pokazana dla trzech wykładniczo rosnących i trzech stacjonarnych replikatów biologicznych. HP = hipotetyczne białko. D różnicowa Regulacja kompleksów oddechowych pośredniczących w oddychaniu tlenowym związków organicznych i nieorganicznych. Kompleksy są różnie zacienione w zależności od tego, czy są one znacznie regulowane w górę (zielony), regulowane w dół (pomarańczowy), czy niezmienione (szary) w ograniczonych składnikach odżywczych w porównaniu do kultur bogatych w składniki odżywcze. Nazwy genów, liczby loci i średnie zmiany w obfitości transkryptomu są pokazane dla każdego kompleksu. 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 upreguluje geny związane z metabolizmem H2 i CO w Warunkach ograniczających składniki odżywcze. Geny kodujące podjednostki strukturalne grupy 1h-hydrogenazy (hhyle; trd_1878-1877), które są klasą enzymów tolerancyjnych na tlen , o których wiadomo, że pośredniczą w utlenianiu atmosferycznego H2, były regulowane średnio 12,6-krotnie (Fig. 1B). Regulowane były również zachowane hipotetyczne białka hhaABC (trd_1876–1874; 5.5-krotnie), zakodowany na tym samym przypuszczalnym operze co podjednostki strukturalne, a także na osobnym przypuszczalnym operze współczynników dojrzewania (trd_1873-1863; 3,1-krotnie) (rysunek S2; tabela S1). Podjednostki strukturalne (trd_1206–1208) i dojrzewające (trd_1209-1215) kodujące dehydrogenazę tlenku węgla typu I były regulowane średnio dwukrotnie (rys. 1c & S2) w odpowiedzi na ograniczenie zawartości składników pokarmowych. Zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami o wykorzystaniu CO podczas wzrostu w tym organizmie, geny dehydrogenazy tlenku węgla wykazywały wysoką ekspresję zarówno w kulturach wykładniczych, jak i stacjonarnych. (Rys. 1c; tabela S1). Sugeruje to, że T. roseum używa CO do uzupełniania dostępnego węgla organicznego podczas wzrostu (mixotrofia) i trwałości. Wyniki te są zasadniczo podobne do obserwacji innych filii, zwłaszcza Aktynobakterii i Proteobakterii, że ekspresja hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla jest indukowana przez ograniczenie węgla organicznego .

Ogólnie rzecz biorąc, największa różnica w ekspresji genów obejmowała klaster 19-genowy (trd_0160–0142) prawdopodobnie zaangażowany w utlenianie związków siarki. Klaster zawiera gen kodujący przypuszczalną rozpuszczalną reduktazę heterodisiarczkową (hdrABC), kompleks flawoprotein przenoszących elektrony (etfAB), trzy białka nośnikowe siarki (tusA, dsrE1, dsrE2), trzy białka wiążące lipoat (lbpA) i różne hipotetyczne białka, które są regulowane średnio 45-krotnie podczas trwałości. Większość z tych składników ma homologi w systemie, który ostatnio wykazał, że pośredniczy w utlenianiu różnych organicznych i nieorganicznych związków siarki w Denitryfikantach Hyphomicrobium . Jedną z roli tego klastra może być pośredniczenie w aktywacji i utlenianiu endogennych lub egzogennych związków zawierających tiol. Aby to osiągnąć, przewidujemy, że kompleks Hdr katalizuje tworzenie się wiązania dwusiarczkowego między Związkiem tiolowym a białkiem nośnikowym siarki (np. TusA); następnie kompleks HDR przenosi wyzwolone elektrony do łańcucha oddechowego, prawdopodobnie za pośrednictwem kompleksu ETF. Wspierając tę koncepcję, utlenianie tiolowe do disiarczku jest egzergoniczne z tlenem jako końcowym akceptorem elektronów. Podczas gdy kompleksy Hdr są najlepiej scharakteryzowane ze względu na ich rolę w redukcji heterodisiarczków w metanogennych archeonach , badano je również w bakteriach utleniających siarkę i redukujących siarczany, gdzie przewiduje się, że są fizjologicznie odwracalne . Konsekwentnie, kompleks Hdr T. roseum jest najbliżej spokrewniony ze szczepami sulfobacillus utleniającymi siarkę, Hyphomicrobium i Acidithiobacillus . Wydaje się prawdopodobne, że T. roseum skorzystałby na przewadze przetrwania, gdyby mógł wykorzystać zredukowane związki siarki dostępne w źródłach geotermalnych. Potrzebne są jednak dalsze prace, aby zweryfikować aktywność, substraty i fizjologiczną rolę tego układu.

łącznie wyniki te pokazują, że T. roseum jest bardziej elastyczny metabolicznie niż wcześniej sądzono. Fig. 1d ilustruje przewidywaną przebudowę łańcucha oddechowego, która występuje podczas przejścia od warunków bogatych w składniki odżywcze do warunków ograniczonych w składnikach odżywczych. Upregulacja enzymów biorących udział w wykorzystywaniu związków nieorganicznych, w połączeniu z downregulacją klastrów genów biorących udział w utlenianiu NADH, sugeruje, że T. roseum wyewoluowało mechanizmy utrzymania oddychania tlenowego pomimo wahań składników odżywczych i niedostatku w swoim środowisku.

T. roseum tlenowo utlenia H2 i CO w szerokim zakresie stężeń, w tym pod-atmosferycznych, podczas utrzymywania się

wysokie poziomy ekspresji genów kodujących hydrogenazę grupy 1h i dehydrogenazę tlenku węgla typu I sugerują, że T. roseum może wspierać utrzymywanie się przez utlenianie atmosferycznych H2 i co. Aby to przetestować, inkubowaliśmy pożywne Kultury T. roseum w przestrzeni nadmuchowej z otaczającym powietrzem uzupełnione o ~14 ppmv H2 lub CO i monitorowane ich zużycie za pomocą chromatografii gazowej. Zgodnie z naszą hipotezą, Kultury tlenowo utleniały oba gazy w procesie kinetycznym pierwszego rzędu; w ciągu 71 godzin proporcje mieszania tych gazów (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) były pięć razy niższe od poziomów atmosferycznych (rys. 2a, b). Stanowi to pierwszą obserwację zarówno tlenowego oddychania H2, jak i atmosferycznego utleniania H2 w obrębie grupy Chloroflexi.

aktywność Hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla w hodowlach Thermomicrobium roseum podczas ograniczania składników odżywczych. A, B utlenianie cząsteczkowego wodoru (H2; A) i tlenku węgla (CO; B) do poziomu pod-atmosferycznego przez Kultury T. roseum. Paski błędów pokazują odchylenia standardowe trzech replikatów biologicznych, z komórkami zabitymi przez ciepło monitorowanymi jako kontrola negatywna (szare linie przerywane). Współczynniki mieszania H2 i CO są wyświetlane w skali logarytmicznej, a linie przerywane pokazują średnie współczynniki mieszania atmosferycznego H2 (0,53 ppmv) i CO (0,10 ppmv). C, D pozorne parametry kinetyczne utleniania H2 (C) i CO (D) przez całe komórki T. roseum. Krzywe parametrów najlepiej dopasowanych i kinetycznych obliczono na podstawie modelu regresji nieliniowej Michaelisa–Mentena. Wartości obliczone na podstawie wykresów Lineweaver-Burk, Hanes-Woolf i Eadie-Hofstee są pokazane w tabeli S2. e Zymograficzna obserwacja aktywności hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla w lizatach Pełnokomórkowych T. roseum. Pierwsze dwa pasy pokazują drabinę proteinową i całe białko zabarwione Coomassie Blue. Trzeci i czwarty pas ruchu wykazują aktywność hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla zabarwionej sztucznym akceptorem elektronów nitroblue tetrazolium w atmosferze odpowiednio bogatej w H2 i WSPÓŁBOŻNEJ. F Amperometryczne pomiary aktywności hydrogenazy w całych komórkach T. roseum. Szybkość utleniania H2 mierzono elektrodą wodorową przed i po leczeniu uncouplerami oddechowymi i jonoforami cyjanku karbonylu m-chlorofenylohydrazyną (CCCP), nigerycyną i walinomycyną

pomiary kinetyczne całej komórki wykazały, że T. roseum skutecznie utlenia H2 i CO w szerokim zakresie stężeń poprzez aktywność hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla. W hodowlach enzymy wykazują umiarkowaną pozorną prędkość (Vmax app 376 nmol H2 i 149 nmol co G−1 białka min−1) i umiarkowane pozorne powinowactwo (Km app 569 nM H2 I 285 nM co) dla tych substratów (Fig. 2c, D; tabela S2). W odniesieniu do dehydrogenazy tlenku węgla obserwacje te są zgodne z tym, że organizm jest w stanie wykorzystać CO w podwyższonych stężeniach dla wzrostu i stężenia atmosferyczne dla trwałości. Pozorne parametry kinetyczne hydrogenazy grupy 1h są bardziej podobne do ostatnio opisanych dla verrucomicrobial methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM) niż do hydrogenaz o wysokim powinowactwie i niskiej aktywności opisanych wcześniej atmosferycznych zmiataczy H2 (Km < 50 nM). W sumie wyniki te sugerują, że T. roseum może wykorzystać podwyższone stężenia H2 i CO, gdy są dostępne dzięki aktywności geotermalnej i utrzymują się na stężeniach atmosferycznych tych gazów w przeciwnym razie.

zgodnie z obserwowaną aktywnością całych komórek, lizaty komórkowe działają na natywnych żelach poliakrylamidowych silnie zabarwionych pod kątem aktywności hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla (Fig. 2e). Masa cząsteczkowa głównych pasm była odpowiednio przy oczekiwanej masie cząsteczkowej dimeru dehydrogenazy tlenku węgla i nieco poniżej oczekiwanej masy cząsteczkowej dimeru hydrogenazy . Jest to zgodne z badaniami biochemicznymi na innych organizmach, które wykazały, że dehydrogenazy tlenku węgla typu I i hydrogenazy grupy 1h tworzą homodimery . Następnie sprawdziliśmy, że hydrogenaza została sprzężona z łańcuchem oddechowym poprzez pomiar utleniania H2 za pomocą elektrody H2 w warunkach tlenowych. Nieleczone komórki szybko utleniały H2. Aktywność ta zmniejszyła się 2,5-krotnie po dodaniu CCCP układu oddechowego uncoupler i ustała po dodaniu jonoforu walinomycyny, podczas gdy nie zaobserwowano znaczącej zmiany szybkości utleniania H2 w przypadku protonoforu nigerycyny (Fig. 2f). Połączenie tych wyników sugeruje, że utlenianie wodoru jest ściśle związane z łańcuchem oddechowym, a interakcja ta może być powiązana z gradientem elektrycznym (Δψ), ale nie z gradientem pH (ΔpH) błony.

wyniki analizy transkryptomu i badań aktywności sugerują zatem, że T. roseum utrzymuje się poprzez utlenianie atmosferycznych H2 i CO. Proponujemy, aby hydrogenaza grupy 1h i dehydrogenaza tlenku węgla typu i bezpośrednio wykorzystywały elektrony pochodzące z atmosferycznego H2 i CO do wspomagania oddychania tlenowego (rys. 1d). Jest prawdopodobne, że elektrony te są przekazywane przez nośniki elektronów do puli menachinonów, a następnie przenoszone do końcowych oksydaz. Potrzebne są jednak dalsze badania, aby potwierdzić, w jaki sposób te białka funkcjonalnie i fizycznie oddziałują z łańcuchem oddechowym, w tym ich lokalizację i z jakimi nośnikami elektronów oddziałują. Ze względu na genetyczną trudność Chloroflexi i brak specyficznych inhibitorów hydrogenazy lub dehydrogenazy tlenku węgla, nie byliśmy również w stanie określić konieczności utleniania H2 lub CO dla dłuższego przeżycia tego organizmu. Jednak wcześniejsze badania wykazały, że genetyczna delecja grupy 1h-hydrogenazy zmniejsza długowieczność komórek M. smegmatis i egzospor Streptomyces avermitilis .

Oczyszczanie gazów atmosferycznych jest potencjalnie powszechną strategią trwałości w obrębie tlenowego heterotroficznego Chloroflexi

, wykazując, że T. roseum utlenia atmosferyczne gazy śladowe podczas trwałości, następnie zbadano, czy jest to wspólna strategia stosowana przez Chloroflexi. Najpierw przeanalizowaliśmy możliwości oddechowe Thermogemmatispora sp. T81, heterotroficzny termofil celulolityczny i sporulujący, który wcześniej izolowaliśmy z gleb geotermalnych z Tikitere w Nowej Zelandii . Analiza genomu organizmu (ID zespołu: GCA_003268475.1) wykazała, że koduje on podstawowe elementy łańcucha oddechowego podobne do T. roseum, w tym dehydrogenazy pierwotne (nuo, NDH, sdh), oksydazy końcowe (Cox, cyo) i syntazy ATP (atp). Genom koduje również przypuszczalne operatory dla podjednostek strukturalnych hydrogenazy grupy 1h, czynników dojrzewania tej hydrogenazy i podjednostek strukturalnych dehydrogenazy tlenku węgla typu i (rysunek S3). Jednak w thermogemmatispora sp nie ma homologów domniemanej reduktazy heterodisiarczkowej i kompleksów ETF kodowanych przez T. roseum. Genom T81.

sprawdziliśmy, że hodowle zarodnikowe Thermogemmatispora Sp. T81 aktywnie zużywa H2 i CO. Organizm powoli utlenia dostępne H2 i CO w przestrzeni nad głową do poziomu pod-atmosferycznego (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) w ciągu ~320 h (rys. 3a, b). Chociaż wcześniej wykazano , że szczep ten utlenia tlenek węgla, jest to pierwsza obserwacja, że może to zrobić w stężeniach poniżej atmosferycznych i podczas trwałości. Wyniki te sugerują, że pomimo odrębnej historii ewolucyjnej i nisz ekologicznych, Thermogemmatispora sp. T81 i T. roseum wyewoluowały podobne strategie metaboliczne, aby przetrwać ograniczenie składników odżywczych.

aktywność Hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla thermogemmatispora Sp. T81 podczas sporulacji. Utlenianie cząsteczkowego wodoru (H2; A) i tlenku węgla (co; B)do poziomu pod-atmosferycznego przez Thermogemmatispora Sp. Kultury T81. Paski błędów pokazują odchylenia standardowe trzech replikatów biologicznych, z komórkami zabitymi przez ciepło monitorowanymi jako kontrola negatywna (szare linie przerywane). Współczynniki mieszania H2 i CO są wyświetlane w skali logarytmicznej, a linie przerywane pokazują średnie współczynniki mieszania H2 (0,53 ppmv) i CO (0.10 ppmv)

analiza rozkładu hydrogenaz i dehydrogenaz tlenku węgla w publicznie dostępnych genomach referencyjnych wykazała, że genetyczna zdolność do oczyszczania gazów śladowych jest cechą powszechną wśród tlenowych Chloroflexi. W szczególności, hydrogenazy grupy 1h i dehydrogenazy tlenku węgla typu i kodowano w trzech z czterech genomów referencyjnych w obrębie Thermomicrobiales (Klasa Chloroflexia) i czterech z pięciu genomów referencyjnych w obrębie Ktedonobacteriales (Klasa Ktedonobacteria) (Fig. 4a, b). Ten ostatni obejmuje genomy heterotroficznej bakterii glebowej Ktedonobacter racemifer i izolat bioreaktora utleniającego azotyny Nitrolancea hollandica . Ponadto siedem szczepów w obrębie fotosyntetycznego rzędu Chloroflexales kodowało hydrogenazy grupy 1F i/lub grupy 2A (rysunek S4). Wykazano, że te klasy hydrogenaz pośredniczą w tlenowym utlenianiu H2 w szeregu bakterii, w tym w stężeniach poniżej atmosferycznych odpowiednio w Acidobacterium ailaaui i M. smegmatis . Co więcej, Badanie metatranscriptome ujawniło, że homology grupy 1F-hydrogenazy gatunków Roseiflexus są silnie wyrażone w geotermalnych matach mikrobiologicznych w nocy . Stąd jest prawdopodobne, że cechy tlenowego oddychania H2 i być może atmosferycznego utleniania H2 rozciągają się na fotosyntetyczne szczepy tego typu. Szereg genomów zmontowanych z metagenomem, w tym z obfitej klasy kandydującej Ellin6529, kodowało również geny dla tlenowego utleniania H2 i CO (rysunek S4 & S5). Zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami, Dehalocockoidia koduje grupę 1A-hydrogenazy, o których wiadomo, że ułatwiają dehalorespirację .

ewolucyjna historia grupy 1h-hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla typu I. Drzewa filogenetyczne pokazujące rozmieszczenie i ewolucyjną historię katalitycznych (dużych) podjednostek grupy 1h-hydrogenazy (hhyL; a) i dehydrogenazy tlenku węgla typu i (coxL; b) w typie Chloroflexi. Sekwencje Chloroflexi (oznaczone klasą) są pokazane pogrubioną czcionką w stosunku do sekwencji referencyjnych (oznaczonych przez grupę). Drzewa konstruowano przy użyciu sekwencji aminokwasowych metodą maksymalnego prawdopodobieństwa (szczeliny traktowane częściową delecją) i bootstrappowano 100 replikatami. Drzewa ukorzeniono odpowiednio sekwencjami hydrogenazy grupy 1G (WP_011761956.1, WP_048100713.1) i sekwencjami dehydrogenazy tlenku węgla typu II (WP_011388721.1, WP_012893108.1). Rozkład innych hydrogenaz wychwytu oddechowego w genomach i metagenomach zmontowanych genomach (MAGs) w typie Chloroflexi pokazano na fig.S4. Rozkład dehydrogenaz tlenku węgla typu I w obrębie genomów zmontowanych metagenomami (MAGs) w typie Chloroflexi przedstawiono na rysunku S5

nasze analizy sugerują, że zdolność do atmosferycznego utleniania H2 i CO mogła wyewoluować w dwóch lub więcej przypadkach w Chloroflexi. Drzewa filogenetyczne pokazują, że grupa 1h-hydrogenazy z Chlorofleksji i Ktedonobacteria są rozbieżne i dzielą się na dwie odrębne, silnie wspierane gałęzie (Fig. 4a). Jest zatem bardziej prawdopodobne, że Chlorofleksja i Ktedonobakterie niezależnie nabyły te enzymy, na przykład w wyniku poziomego przenoszenia genów z innych Terrabakterii, niż pionowo dziedziczyły je po wspólnym przodku. Analiza filogenetyczna sugeruje również, że dehydrogenaza tlenku węgla typu I może być również nabyta w dwóch lub trzech przypadkach w tym typie (Fig. 4B). Zgodnie z ich prawdopodobnym niezależnym pozyskaniem, przypuszczalne operaty kodujące hydrogenazę i dehydrogenazę tlenku węgla w T. roseum (rysunek S2) i Thermogemmatispora sp. T81 (rysunek S3) są wyraźnie zorganizowane. Na przykład czynniki strukturalne i pomocnicze dehydrogenazy tlenku węgla są kodowane w pojedynczym przypuszczalnym operze w Thermogemmatisporze Sp. T81 (coxMSLIG), ale w T. roseum są rozdzielone na OPERON strukturalny (coxgslm) i OPERON dodatkowy (w tym coxG i coxE). Wyniki te zgadzają się z wcześniejszymi wnioskami horyzontalnego rozpowszechniania genów hhyL i coxL i sugerują, że istnieje silna presja selektywna na akwizycję enzymów metabolicznych, które wspierają trwałość. Nie można jednak wykluczyć innych wyjaśnień dla ich obserwacji i konieczna jest dalsza analiza w celu rozwinięcia złożonych historii ewolucyjnych hydrogenaz i dehydrogenaz tlenku węgla.

ekologiczne i biogeochemiczne znaczenie metabolicznej elastyczności i śladowego utleniania gazu w Chloroflexi

tlenowe bakterie heterotroficzne z rodzaju Chloroflexi są bardziej metabolicznie wszechstronne niż wcześniej sądzono. Analizy transkryptomu wyraźnie pokazują, że T. roseum reguluje jego metabolizm w odpowiedzi na ograniczenie składników pokarmowych, umożliwiając utrzymywanie się na kombinacji egzogennych związków nieorganicznych i prawdopodobnie endogennych rezerw węgla. Na poparcie tego, pomiary chromatografii gazowej wykazały, że bakteria efektywnie utlenia H2 i CO do stężenia poniżej atmosferycznego podczas utrzymywania się w procesie tlenowego oddychania. Podobne ustalenia poczyniliśmy dla izolatu ktedonobacterial thermogemmatispora sp. T81, sugerując, że wychwytywanie gazów śladowych może być powszechną strategią trwałości stosowaną przez tlenowy Chloroflexi. Analizy filogenezy sekwencji pierwotnej i struktury operon wskazują, że grupy 1 h-hydrogenazy i dehydrogenazy tlenku węgla w obrębie tych organizmów dzielą się na różne klady i są stosunkowo rozbieżne. Stąd jest prawdopodobne, że organizmy te nabyły poziomo zdolność do utleniania atmosferycznego H2 i CO poprzez oddzielne zdarzenia, chociaż możliwe są inne wyjaśnienia. Pozorna zbieżność strategii trwałości jest zauważalna, biorąc pod uwagę różne historie ewolucyjne, morfologie trwałości (tj. sporulację w T81) i nisze ekologiczne tych bakterii. Generalizacja zasobów jest zatem prawdopodobnie powszechną ekologiczną strategią przetrwania chlorofluorowęglowodorów w środowiskach, w których węgiel organiczny i inne składniki odżywcze mogą być okresowo ograniczone.

szerzej, odkrycia te zapewniają czyste poparcie dla hipotezy, że tlenek węgla w atmosferze służy jako źródło energii dla trwałości . Nasze wyniki sugerują, że ekspresja i aktywność dehydrogenazy tlenku węgla jest związana z trwałością i dostarczają dowodów na to, że atmosferyczny CO może służyć jako donor elektronów dla tlenowego łańcucha oddechowego w tym stanie. Rzeczywiście, podobnie jak w przypadku atmosferycznego H2, atmosferyczny CO może być niezawodnym źródłem energii dla przetrwania drobnoustrojów, biorąc pod uwagę jego wszechobecność, dyfuzyjność i gęstość energii. Integrując te odkrycia z szerszą literaturą, jest prawdopodobne, że utlenianie atmosferyczne jest ogólną strategią wspierającą długoterminowe przetrwanie tlenowych bakterii heterotroficznych. Rzeczywiście, różne bakterie heterotroficzne zostały wcześniej wywnioskowane, że są zdolne do utleniania atmosferycznego CO, w tym Proteobakterie , Aktynobakterie i szczep Thermogemmatispora . Co więcej, inne zbiory danych wykazały, że ekspresja dehydrogenazy tlenku węgla jest aktywowana podczas ograniczania składników odżywczych w innych organizmach tlenowych . Jednakże, w przeciwieństwie do atmosferycznego H2, należy potwierdzić za pomocą badań genetycznych i biochemicznych, że utlenianie co atmosferycznego może zwiększyć przeżywalność bakterii podczas trwałości. Zgodnie z wcześniejszymi pomiarami na podstawie aktywności , analiza transkryptomu pokazuje, że T. roseum wykazuje wysoki poziom dehydrogenazy tlenku węgla podczas wzrostu. W przeciwieństwie do karboksydotropów , takich jak Oligotropha carboxidovorans, T. roseum jako karboksydowiec nie może rosnąć chemolitoautotropowo i zamiast tego wydaje się wykorzystywać CO jako dodatkowe źródło energii podczas wzrostu heterotroficznego. Szeroki zakres kinetyczny dehydrogenazy tlenku węgla T. roseum w całych komórkach prawdopodobnie umożliwia temu izolatowi zarówno utrzymywanie się na wszechobecnie dostępnym co atmosferycznym, jak i wzrost miksotropowy w mikrośrodowiskach, w których CO jest dostępne w podwyższonych stężeniach (do 6000 ppmv) poprzez aktywność geotermalną .

wreszcie, to badanie ustanawia Chloroflexi jako trzeci filum doświadczalnie wykazano do usuwania atmosfery H2, po Actinobacteria i Acidobacteria . Dokonane tutaj ustalenia są podobne do tych, które wcześniej zgłaszano dla Actinobacterium Mycobacterium smegmatis i acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes, z których oba również przechodzą od oddychania heterotroficznego do atmosferycznego utleniania H2 w odpowiedzi na ograniczenie energii, w tym poprzez ekspresję hydrogenaz grupy 1h. Biorąc pod uwagę co najmniej cztery inne hodowane phyla (rys. 4a) i dwie kandydujące phyla również kodują grupy 1h-hydrogenazy, wydaje się coraz bardziej prawdopodobne, że atmosferyczny H2 służy jako ogólne źródło energii dla tlenowych bakterii heterotroficznych. Ta obserwacja jest również potencjalnie znacząca biogeochemicznie, biorąc pod uwagę, że tlenowe bakterie glebowe są znane jako główny pochłaniacz w globalnym cyklu wodorowym . Potrzebne są jednak dalsze prace, aby sprawdzić, czy zasady te rozciągają się na wciąż enigmatyczne gatunki Chloroflexi zamieszkujące mezofilne środowiska glebowe.