Două clase de Cloroflexi au evoluat independent Capacitatea de a persista pe hidrogenul atmosferic și monoxidul de carbon

thermomicrobium roseum reglează în sus expresia hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei în timpul unui răspuns coordonat la înfometarea nutrienților
T. roseum oxidează aerob H2 și CO la o gamă largă de concentrații, inclusiv niveluri sub-atmosferice, în timpul persistenței
eliminarea gazelor atmosferice este potențial o strategie comună de persistență în cloroflexia heterotrofă aerobă
semnificația ecologică și biogeochimică a flexibilității metabolice și a oxidării gazelor de urmă în Cloroflexi

thermomicrobium roseum reglează în sus expresia hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei în timpul unui răspuns coordonat la înfometarea nutrienților

am comparat transcriptomii culturilor T. roseum triplicate sub (faza staționară) condiții. Un total de 401 gene au fost reglate semnificativ în sus și 539 gene au fost reglate semnificativ în jos de cel puțin două ori (p < 10-6) ca răspuns la limitarea nutrienților (Fig. 1a; tabelul S1). Au fost observate trei tendințe majore în ceea ce privește achiziția și utilizarea energiei. În primul rând, genele asociate cu procese costisitoare din punct de vedere energetic au fost reglate în jos, inclusiv cele care codifică proteinele ribozomale, enzimele de biosinteză a citocromului c și menaquinonei și aparatul chemotactic și flagelar codificat de megaplasmide (tabelul S1). În al doilea rând, au existat dovezi de mobilizare a depozitelor interne de carbon, inclusiv a unui complex acetoin dehidrogenază și a unui complex de flavoproteină cu transfer de electroni (ETF). În al treilea rând, profilurile de Expresie indică faptul că există o remodelare extinsă a lanțului respirator. Două dehidrogenaze respiratorii primare implicate în creșterea heterotrofă (DEHIDROGENAZELE NADH de tip I și II) au fost reglate în jos, în timp ce complexele implicate în generarea de energie litotrofică și o succinat dehidrogenază au fost reglate în sus (Fig. 1a; tabelul S1). În ambele condiții, oxidazele terminale care mediază respirația aerobă au fost foarte exprimate și nu au existat dovezi ale utilizării altor acceptori de electroni; citocromul AA3 oxidaza a fost exprimată în ambele faze și citocromul alternativ bo3 oxidaza a fost reglată în sus în timpul fazei staționare. În schimb, F1Fo-ATPaza (ATP sintaza) a fost reglată în jos, o constatare în concordanță cu o scădere așteptată a disponibilității donatorilor de electroni respiratori în timpul limitării nutrienților (tabelul S1).

Thermomicrobium roseum reglează în sus genele asociate cu metabolismul H2 și CO în condiții de limitare a nutrienților. Genele care codifică subunitățile structurale ale unui grup 1h-hidrogenază (hhyLS; trd_1878–1877) , care sunt o clasă de enzime tolerante la oxigen despre care se știe că mediază oxidarea atmosferică a H2 , au fost reglate în sus cu o medie de 12,6 ori (Fig. 1b). De asemenea, au fost reglate în sus proteinele ipotetice conservate hhaABC (trd_1876–1874; 5.5 ori), codificat pe același operon presupus ca și subunitățile structurale, precum și un operon presupus separat al factorilor de maturare (trd_1873–1863; 3,1 ori) (figura s2; tabelul S1). Subunitățile structurale (trd_1206–1208) și de maturare (trd_1209-1215) care codifică o monoxid dehidrogenază de carbon de tip I au fost reglate în medie de două ori (Fig. 1c & S2) ca răspuns la limitarea nutrienților. În concordanță cu rapoartele anterioare de utilizare a CO în timpul creșterii în acest organism , genele de monoxid de carbon dehidrogenază au fost foarte exprimate atât în culturile exponențiale, cât și în cele staționare. (Fig. 1C; tabelul S1). Acest lucru sugerează că T. roseum folosește CO pentru a suplimenta carbonul organic Disponibil în timpul creșterii (mixotrofie) și persistență. Aceste constatări sunt în general similare cu observațiile făcute în alte filuri, în special Actinobacterii și proteobacterii, că expresia hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei este indusă de limitarea carbonului organic .

în general, cel mai mare diferențial în expresia genelor a implicat un grup de 19 gene (trd_0160-0142) implicat în mod presupus în oxidarea compușilor de sulf. Clusterul conține gena care codifică o putativă heterodisulfură reductază solubilă (hdrABC), un complex de flavoproteine cu transfer de electroni (etfAB), trei proteine purtătoare de sulf (tusa, dsrE1, dsrE2), trei proteine care leagă lipoatul (lbpA) și diverse proteine ipotetice, care sunt reglate în medie de 45 de ori în timpul persistenței. Majoritatea acestor componente au omologi într-un sistem recent demonstrat că mediază oxidarea diferiților compuși organici și anorganici ai sulfului în denitrificanții de Hyphomicrobium . Un rol al acestui grup poate fi de a media activarea și oxidarea compușilor endogeni sau exogeni care conțin tiol. Pentru a realiza acest lucru, prezicem că complexul Hdr catalizează formarea legăturii disulfidice între compusul tiol și o proteină purtătoare de sulf (de exemplu, TusA); complexul Hdr transferă apoi electronii eliberați în lanțul respirator, posibil prin complexul ETF. Susținând această noțiune, oxidarea tiolului la disulfură este exergonică cu oxigenul ca acceptor terminal de electroni. În timp ce complexele Hdr sunt cel mai bine caracterizate pentru rolurile lor în reducerea heterodisulfurilor în arhaea metanogenă , ele au fost studiate și în bacteriile oxidante cu sulf și reducătoare de sulfat, unde s-a prezis că sunt reversibile fiziologic . În mod consecvent, Complexul Hdr al T. roseum este cel mai strâns legat de cele ale tulpinilor sulfobacillus, Hyphomicrobium și Acidithiobacillus oxidante cu sulf . Pare plauzibil ca T. roseum să beneficieze de un avantaj de supraviețuire dacă poate valorifica compuși de sulf reduși disponibili în izvoarele geotermale. Cu toate acestea, sunt necesare lucrări suplimentare pentru a verifica activitatea, substraturile și rolul fiziologic al acestui sistem.

colectiv, aceste descoperiri arată că T. roseum este mai flexibil din punct de vedere metabolic decât se credea anterior. Fig. 1D ilustrează remodelarea prevăzută a lanțului respirator care apare în timpul tranziției de la condiții bogate în nutrienți la condiții limitate de nutrienți. Reglarea în sus a enzimelor implicate în valorificarea compușilor anorganici, împreună cu reglarea în jos a grupurilor de gene implicate în oxidarea NADH, sugerează că T. roseum a dezvoltat mecanisme pentru a menține respirația aerobă, în ciuda fluctuațiilor nutritive și a privării în mediul său.

T. roseum oxidează aerob H2 și CO la o gamă largă de concentrații, inclusiv niveluri sub-atmosferice, în timpul persistenței

nivelurile ridicate de Expresie pentru genele care codifică grupa 1h-hidrogenază și monoxid de carbon dehidrogenază de tip I au sugerat că T. roseum poate susține persistența prin oxidarea H2 și co atmosferice. Pentru a testa acest lucru, am incubat culturi limitate de nutrienți de T. roseum într-un spațiu de aer înconjurător suplimentat cu ~14 ppmv fie de H2, fie de CO și a monitorizat consumul acestora folosind cromatografia de gaze. În acord cu ipoteza noastră, culturile au oxidat aerob ambele gaze într-un proces cinetic de ordinul întâi; în 71 h, raporturile de amestecare ale acestor gaze (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) au fost de cinci ori sub nivelurile atmosferice (Fig. 2a, b). Aceasta constituie prima observație atât a respirației aerobe H2, cât și a oxidării atmosferice H2 în cadrul filului Chloroflexi.

măsurătorile cinetice ale celulelor întregi au arătat că T. roseum oxidează eficient H2 și CO într-o gamă largă de concentrații prin activitatea hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei. În culturi, enzimele prezintă o viteză aparentă moderată (Vmax app de 376 nmol H2 și 149 nmol CO g−1 de proteină min−1) și afinitate aparentă moderată (Km app de 569 nM H2 și 285 nM CO) pentru aceste substraturi (Fig. 2C, d; tabelul S2). În ceea ce privește monoxidul dehidrogenaza de carbon, aceste observații sunt în concordanță cu faptul că organismul este capabil să utilizeze CO la concentrații crescute pentru creștere și concentrații atmosferice pentru persistență. Parametrii cinetici aparenți ai grupului 1h-hidrogenază sunt mai asemănători cu cei descriși recent pentru metanotroful Metilacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM) decât cu hidrogenazele cu afinitate ridicată, cu activitate scăzută, ale captatorilor atmosferici H2 descriși anterior (Km < 50 nM). În total, aceste descoperiri sugerează că T. roseum poate profita de concentrațiile crescute de H2 și CO atunci când sunt disponibile prin activitatea geotermală și subzistă din concentrațiile atmosferice ale acestor gaze altfel.

în concordanță cu activitățile celulare observate, lizatele celulare rulează pe geluri native de poliacrilamidă puternic colorate pentru activitatea hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei (Fig. 2e). Greutatea moleculară a benzilor majore a fost, respectiv, la greutatea moleculară așteptată pentru un dimer de monoxid dehidrogenază de carbon și ușor sub greutatea moleculară așteptată a unui dimer de hidrogenază . Acest lucru este compatibil cu studiile biochimice efectuate în alte organisme care au arătat dehidrogenaze de monoxid de carbon de tip I și homodimeri de grup 1h-hidrogenaze . Apoi am verificat că hidrogenaza a fost cuplată la lanțul respirator prin măsurarea oxidării H2 folosind un electrod H2 în condiții aerobe. Celulele netratate au oxidat rapid H2. Această activitate a scăzut de 2,5 ori la adăugarea DECUPLORULUI respirator CCCP și a încetat la adăugarea ionoforului valinomicină, în timp ce nu s-a observat nicio modificare semnificativă a ratei de oxidare a H2 cu protonoforul nigericin (Fig. 2f). Combinația dintre aceste rezultate sugerează că oxidarea hidrogenului este strâns cuplată la lanțul respirator și această interacțiune poate fi legată de gradientul electric (XV), dar nu și de gradientul pH-ului (xvph) al membranei.

constatările din analiza transcriptomului și studiile de activitate sugerează, prin urmare, că T. roseum persistă prin oxidarea H2 și co atmosferici. Propunem ca grupul 1h-hidrogenază și monoxidul de carbon dehidrogenază de tip i să utilizeze direct electroni derivați din H2 atmosferic și CO pentru a susține respirația aerobă (Fig. 1d). Este probabil ca acești electroni să fie retransmiși prin purtători de electroni în bazinul de menachinonă și ulterior să fie transferați la oxidazele terminale. Cu toate acestea, sunt necesare studii suplimentare pentru a confirma modul în care aceste proteine interacționează funcțional și fizic cu lanțul respirator, inclusiv localizarea lor și cu ce purtători de electroni interacționează. Datorită intractabilității genetice a Cloroflexiei și lipsei inhibitorilor specifici de hidrogenază sau monoxid de carbon dehidrogenază, am fost, de asemenea, incapabili să determinăm necesitatea oxidării H2 sau CO pentru supraviețuirea prelungită a acestui organism. Cu toate acestea, studiile anterioare au demonstrat că ștergerea genetică a grupului 1h-hidrogenază reduce longevitatea celulelor M. smegmatis și Streptomyces avermitilis exospores .

eliminarea gazelor atmosferice este potențial o strategie comună de persistență în cloroflexia heterotrofă aerobă

după ce a demonstrat că T. roseum oxidează gazele urme atmosferice în timpul persistenței, am investigat ulterior dacă aceasta este o strategie comună folosită de Cloroflexi. Am analizat mai întâi capacitățile respiratorii ale Thermogemmatispora sp. T81, un termofil celulolitic heterotrofic și sporulator, pe care l-am izolat anterior din solurile geotermale din Tikitere, Noua Zeelandă . Analiza genomului organismului (ID-ul ansamblului: GCA_003268475. 1) a indicat faptul că codifică componentele lanțului respirator de bază similare cu T. roseum, inclusiv dehidrogenaze primare (nuo, ndh, sdh), oxidaze terminale (cox, cyo) și ATP sintază (atp). Genomul codifică, De asemenea, operoni putativi pentru subunitățile structurale ale unui grup 1h-hidrogenază, factorii de maturare ai acestei hidrogenaze și subunitățile structurale ale unui tip I monoxid dehidrogenază de carbon (figura S3). Cu toate acestea, omologii complexelor presupuse de heterodisulfură reductază și ETF codificate de T. roseum sunt absenți din Termogemmatispora sp. Genomul T81.

am verificat că culturile sporulate de Thermogemmatispora sp. T81 consumă activ H2 și CO. Organismul a oxidat lent H2 și CO disponibile în spațiul capului la niveluri sub-atmosferice (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) peste ~320 h (Fig. 3a, b). Deși s-a demonstrat anterior că această tulpină oxidează monoxidul de carbon , aceasta este prima observație că poate face acest lucru la concentrațiile sub-atmosferice și în timpul persistenței. Aceste rezultate sugerează că, în ciuda Istoriilor evolutive distincte și a nișelor ecologice, Thermogemmatispora sp. T81 și T. roseum au dezvoltat strategii metabolice similare pentru a supraviețui limitării nutrienților.

analiza distribuției hidrogenazelor și a monoxidului de carbon dehidrogenazelor în cadrul genomurilor de referință disponibile publicului a arătat că capacitatea genetică de eliminare a urmelor de gaze este o trăsătură comună în rândul cloroflexiei aerobe. Mai exact, grupa 1h-hidrogenazele și dehidrogenazele de monoxid de carbon de tip I au fost codificate în trei din cele patru genomi de referință din Termomicrobiene (clasa Cloroflexie) și patru din cele cinci genomi de referință din Ktedonobacteriales (clasa Ktedonobacterii) (Fig. 4a, b). Acesta din urmă include genomii bacteriei heterotrofe din sol Ktedonobacter racemifer și bioreactorul oxidant nitrit izolat Nitrolancea hollandica . În plus, șapte tulpini din ordinul fotosintetic cloroflexales au codificat grupa 1F și/sau grupa 2A-hidrogenaze (figura S4). S-a demonstrat că aceste clase de hidrogenază mediază oxidarea aerobă H2 într-o serie de bacterii, inclusiv la concentrații sub-atmosferice în Acidobacterium ailaaui și respectiv M. smegmatis . Mai mult, un studiu metatranscriptom a arătat că omologii grupului 1F-hidrogenază din speciile Roseiflexus sunt foarte exprimați în covorașele microbiene geotermale noaptea . Prin urmare, este probabil ca trăsăturile respirației aerobe H2 și, eventual, oxidarea atmosferică H2 să se extindă la tulpinile fotosintetice ale acestui filum. O serie de genomi asamblați cu metagenom, inclusiv din clasa candidată abundentă Ellin6529, au codificat, de asemenea, gene pentru oxidarea aerobă H2 și CO (figura S4 & S5). În concordanță cu rapoartele anterioare, Dehalococcoidia codifică grupa 1A-hidrogenaze cunoscute pentru a facilita dehalorespirația .

analizele noastre sugerează că capacitatea de oxidare atmosferică a H2 și CO ar fi putut evolua în două sau mai multe ocazii în Cloroflexi. Arborii filogenetici arată că grupul 1h-hidrogenazele din Cloroflexie și Ktedonobacterii sunt divergente și se încadrează în două ramuri distincte, puternic susținute (Fig. 4a). Prin urmare, este mai probabil ca Cloroflexia și Ktedonobacteria să dobândească în mod independent aceste enzime, de exemplu ca urmare a evenimentelor orizontale de transfer de gene de la alte Terrabacterii, mai degrabă decât să le moștenească vertical de la un strămoș comun. Analiza filogenetică sugerează, de asemenea, că monoxidul de carbon de tip I dehidrogenază ar fi putut fi, de asemenea, dobândit în două sau trei ocazii în acest filum (Fig. 4b). În conformitate cu achiziția lor probabilă independentă, operonii presupuși care codifică hidrogenaza și monoxidul de carbon dehidrogenază în T. roseum (figura S2) și Thermogemmatispora sp. T81 (figura S3) sunt organizate distinct. De exemplu, factorii structurali și auxiliari ai monoxidului dehidrogenazei de carbon sunt codificați într-un singur operon presupus în Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), dar sunt separate într-un operon structural (coxGSLM) și operon accesoriu (inclusiv coxG și coxE) în T. roseum. Aceste constatări sunt de acord cu inferențele anterioare ale diseminării orizontale a genelor hhyL și coxL și sugerează că există o presiune selectivă puternică pentru achiziționarea enzimelor metabolice care susțin persistența. Cu toate acestea, alte explicații pentru observațiile lor nu pot fi excluse și este necesară o analiză suplimentară pentru a descoperi istoriile evolutive complexe ale hidrogenazelor și monoxidului de carbon dehidrogenaze.

semnificația ecologică și biogeochimică a flexibilității metabolice și a oxidării gazelor de urmă în Cloroflexi

bacteriile heterotrofe aerobe din filum Cloroflexi sunt mai versatile din punct de vedere metabolic decât se credea anterior. Analizele transcriptomului arată clar că T. roseum își reglează metabolismul ca răspuns la limitarea nutrienților, permițând persistența pe o combinație de compuși anorganici exogeni și rezerve de carbon endogene probabile. În sprijinul acestui fapt, măsurătorile de cromatografie gazoasă au arătat că bacteria oxidează eficient H2 și CO până la concentrații sub-atmosferice în timpul persistenței printr-un proces respirator aerob. Am făcut constatări similare pentru izolatul Ktedonobacterial Thermogemmatispora sp. T81, sugerând că eliminarea gazelor de urmă ar putea fi o strategie comună de persistență utilizată de cloroflexi aerobi. Analizele filogeniei secvenței primare și ale structurii operonului indică faptul că grupa 1 h-hidrogenazele și monoxidul de carbon dehidrogenazele din aceste organisme se încadrează în clade diferite și sunt relativ divergente. Prin urmare, este probabil ca aceste organisme să fi dobândit orizontal capacitatea de a oxida H2 atmosferic și CO prin evenimente separate, deși sunt posibile alte explicații. Convergența aparentă în strategiile de persistență este notabilă având în vedere istoriile evolutive distincte, morfologiile de persistență (adică sporularea în T81) și nișele ecologice ale acestor bacterii. Prin urmare, generalismul resurselor este probabil să fie o strategie ecologică comună pentru supraviețuirea Cloroflexiei în medii în care carbonul organic și alți nutrienți pot fi periodic rare.

mai larg, aceste descoperiri oferă suport pur pentru cultură pentru ipoteza că monoxidul de carbon atmosferic servește ca sursă de energie pentru persistență . Descoperirile noastre sugerează că expresia și activitatea monoxidului de carbon dehidrogenază este legată de persistență și oferă dovezi că co atmosferic poate servi ca donator de electroni pentru lanțul respirator aerob în această afecțiune. Într-adevăr, ca și în cazul H2 atmosferic, Co atmosferic este probabil să fie o sursă de energie fiabilă pentru supraviețuirea microbiană, având în vedere ubicuitatea, difuzibilitatea și densitatea energetică. Integrând aceste constatări cu literatura mai largă, este probabil ca oxidarea Co atmosferică să fie o strategie generală care susține supraviețuirea pe termen lung a bacteriilor heterotrofe aerobe. Într-adevăr, s-a dedus anterior că diferite bacterii heterotrofe sunt capabile să oxideze Co atmosferic , inclusiv proteobacterii , Actinobacterii și o tulpină de Termogemmatispora . Mai mult, alte seturi de date au arătat că expresia monoxidului de carbon dehidrogenază este activată în timpul limitării nutrienților în alte organisme aerobe . Cu toate acestea , spre deosebire de H2 atmosferic, rămâne de validat prin studii genetice și biochimice că oxidarea Co atmosferică poate spori supraviețuirea bacteriilor în timpul persistenței. În conformitate cu măsurătorile anterioare bazate pe activitate , analiza transcriptomului arată că T. roseum exprimă monoxid dehidrogenază de carbon la niveluri ridicate în timpul creșterii. Spre deosebire de carboxidotrofe, cum ar fi Oligotrofa carboxidovorani, T. roseum ca carboxidovor nu poate crește chemolitoautotrofic și, în schimb, pare să utilizeze CO ca sursă suplimentară de energie în timpul creșterii heterotrofe. Gama cinetică largă a monoxidului dehidrogenazei de carbon T. roseum din celulele întregi permite probabil ca acest izolat să persiste atât pe CO atmosferic disponibil omniprezent, cât și să crească mixotrofic în micromedii în care CO este disponibil la concentrații ridicate (până la 6000 ppmv) prin activitatea geotermală .

în cele din urmă, acest studiu stabilește Cloroflexi ca al treilea filum demonstrat experimental că elimină H2 atmosferic, după Actinobacterii și Acidobacterii . Constatările făcute aici sunt similare cu cele raportate anterior pentru actinobacterium Mycobacterium smegmatis și acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes , ambele trecând de la respirația heterotrofă la oxidarea atmosferică H2 ca răspuns la limitarea energiei, inclusiv prin exprimarea grupului 1h-hidrogenaze. Având în vedere cel puțin alte patru filuri cultivate (Fig. 4a) și două filuri candidate codifică, De asemenea, grupa 1h-hidrogenaze, pare din ce în ce mai probabil ca H2 atmosferic să servească drept sursă generală de energie pentru bacteriile heterotrofe aerobe. Această observație este, de asemenea, potențial biogeochimic semnificativă, având în vedere că bacteriile aerobe din sol sunt cunoscute a fi principala chiuvetă din ciclul global al hidrogenului . Cu toate acestea, sunt necesare lucrări suplimentare pentru a testa dacă aceste principii se extind la speciile încă enigmatice de Cloroflexi care locuiesc în medii mezofile ale solului.

thermomicrobium roseum reglează în sus expresia hidrogenazei și monoxidului de carbon dehidrogenazei în timpul unui răspuns coordonat la înfometarea nutrienților

T. roseum oxidează aerob H2 și CO la o gamă largă de concentrații, inclusiv niveluri sub-atmosferice, în timpul persistenței

eliminarea gazelor atmosferice este potențial o strategie comună de persistență în cloroflexia heterotrofă aerobă

semnificația ecologică și biogeochimică a flexibilității metabolice și a oxidării gazelor de urmă în Cloroflexi

Published by admin

Lasă un răspuns Anulează răspunsul