Två Klorflexiklasser utvecklade självständigt förmågan att kvarstå på Atmosfäriskt väte och kolmonoxid | ISME Journal

Thermomicrobium roseum uppreglerar hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenasuttryck under ett samordnat svar på näringsämnen svält
T. roseum oxiderar aerobt H2 och CO vid ett brett spektrum av koncentrationer, inklusive subatmosfäriska nivåer, under persistens
rensning av atmosfäriska gaser är potentiellt en vanlig persistensstrategi inom den aeroba heterotrofa Klorflexi
ekologisk och biogeokemisk betydelse av metabolisk flexibilitet och spårgasoxidation i Chloroflexi

Thermomicrobium roseum uppreglerar hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenasuttryck under ett samordnat svar på näringsämnen svält

vi jämförde transkriptomerna av triplikat T. roseum-kulturer under näringsrika (exponentiell odling) och näringsbegränsade (stationär fas) förhållanden. Totalt 401 gener uppreglerades signifikant och 539 gener nedreglerades signifikant med minst två gånger (p < 10-6) som svar på näringsbegränsning (Fig. 1A; Tabell S1). Tre stora trender observerades när det gäller Energianskaffning och energiutnyttjande. För det första nedreglerades gener associerade med energiskt dyra processer, inklusive de som kodar för ribosomala proteiner, cytokrom c-och menakinonbiosyntesenzymer och den megaplasmidkodade kemotaktiska och flagellära apparaten (tabell S1). För det andra fanns det bevis för mobilisering av interna kolbutiker, inklusive ett acetoindehydrogenaskomplex och ett elektronöverföringsflavoproteinkomplex (ETF). För det tredje, uttrycksprofilerna indikerar att det finns omfattande ombyggnad av andningskedjan. Två primära respiratoriska dehydrogenaser involverade i heterotrofisk tillväxt (typ I och II NADH-DEHYDROGENASER) nedreglerades, medan komplex involverade i litotrofisk energiproduktion och ett succinatdehydrogenas uppreglerades (Fig. 1A; Tabell S1). Under båda förhållandena uttrycktes de terminala oxidaserna som förmedlar aerob andning starkt och det fanns inga bevis för användningen av andra elektronacceptorer; cytokrom AA3-oxidas uttrycktes i båda faserna och det alternativa cytokrom bo3-oxidas uppreglerades under stationär fas. Däremot nedreglerades F1Fo-ATPas (ATP-syntas), ett resultat som överensstämde med en förväntad minskning av tillgängligheten av respiratoriska elektrondonatorer under näringsbegränsning (tabell S1).

Thermomicrobium roseum uppreglerar gener associerade med H2-och CO-metabolism under näringsbegränsande förhållanden. Generna som kodar för de strukturella underenheterna i en grupp 1h–hydrogenas (hhyl; trd_1878-1877) , som är en klass av syretoleranta enzymer som är kända för att förmedla atmosfärisk H2-oxidation , uppreglerades med i genomsnitt 12,6 gånger (Fig. 1b). Också uppreglerade var de konserverade hypotetiska proteinerna hhaABC (trd_1876–1874; 5.5-faldig) , kodad på samma förmodade operon som de strukturella underenheterna, samt en separat förmodad operon av mognadsfaktorer (trd_1873–1863; 3,1-faldig) (figur S2; tabell S1). De strukturella (trd_1206–1208) och mognad (trd_1209–1215) subenheter som kodar för en typ i kolmonoxiddehydrogenas uppreglerades med i genomsnitt två gånger (Fig. 1c & S2) som svar på näringsbegränsning. I överensstämmelse med tidigare rapporter om co-användning under tillväxt i denna organism uttrycktes kolmonoxiddehydrogenasgener starkt i både exponentiella och stationära faskulturer. (Fig. 1C; tabell S1). Detta tyder på att T. roseum använder CO för att komplettera tillgängligt organiskt kol under tillväxt (mixotrofi) och uthållighet. Dessa fynd liknar i stort sett observationer gjorda i andra phyla, särskilt aktinobakterier och Proteobakterier, att hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenasuttryck induceras genom organisk kolbegränsning .

sammantaget involverade den största skillnaden i genuttryck ett 19-genkluster (trd_0160–0142) förmodat involverat i oxidationen av svavelföreningar. Klustret innehåller gen som kodar för ett förmodat lösligt heterodisulfidreduktas (hdrABC), ett elektronöverföringsflavoproteinkomplex (etfAB), tre svavelbärarproteiner (tusA, dsrE1, dsrE2), tre lipoatbindande proteiner (lbpA) och olika hypotetiska proteiner, som uppregleras med i genomsnitt 45 gånger under persistens. De flesta av dessa komponenter har homologer i ett system som nyligen visat sig förmedla oxidationen av olika organiska och oorganiska svavelföreningar i Hyphomicrobium denitrificans . En roll för detta kluster kan vara att förmedla aktivering och oxidation av endogena eller exogena tiolinnehållande föreningar. För att uppnå detta förutspår vi att Hdr-komplexet katalyserar disulfidbindningsbildning mellan tiolföreningen och ett svavelbärarprotein (t.ex. TusA); Hdr-komplexet överför sedan de frigjorda elektronerna till andningskedjan, eventuellt via ETF-komplexet. Stöd för denna uppfattning är tioloxidation till disulfid exergonisk med syre som terminalelektronacceptor. Medan Hdr-komplex är bäst karakteriserade för sina roller i heterodisulfidreduktion i metanogen archaea , har de också studerats i svaveloxiderande och sulfatreducerande bakterier, där de har förutsagts vara fysiologiskt reversibla . Konsekvent är Hdr-komplexet av T. roseum närmast besläktat med svaveloxiderande Sulfobacillus -, Hyphomicrobium-och Acidithiobacillus-stammar . Det verkar troligt att T. roseum skulle dra nytta av en överlevnadsfördel om den kan utnyttja reducerade svavelföreningar tillgängliga i geotermiska källor. Ytterligare arbete behövs dock för att verifiera aktiviteten, substraten och den fysiologiska rollen för detta system.

sammantaget visar dessa resultat att T. roseum är mer metaboliskt flexibelt än tidigare trott. Fig. 1d illustrerar den förutsagda ombyggnaden av andningskedjan som uppstår under övergången från näringsrika till näringsbegränsade förhållanden. Uppreglering av enzymer som är involverade i att utnyttja oorganiska föreningar, i samband med nedreglering av genkluster involverade i NADH-oxidation, antyder att T. roseum har utvecklat mekanismer för att upprätthålla aerob andning trots näringsfluktuationer och berövande i sin miljö.

T. roseum oxiderar aerobt H2 och CO vid ett brett spektrum av koncentrationer, inklusive subatmosfäriska nivåer, under persistens

de höga uttrycksnivåerna för gener som kodar för gruppen 1H-hydrogenas och typ i kolmonoxiddehydrogenas föreslog att T. roseum kan stödja persistens genom att oxidera atmosfärisk H2 och CO. För att testa detta inkuberade vi näringsbegränsade kulturer av T. roseum i ett luftrum kompletterat med ~14 ppmv av antingen H2 eller CO och övervakade deras förbrukning med gaskromatografi. I överensstämmelse med Vår hypotes oxiderade kulturer aerobt båda gaserna i en första ordningens kinetiska process; inom 71 h var blandningsförhållandena för dessa gaser (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) fem gånger under atmosfäriska nivåer (Fig. 2a, b). Detta utgör den första observationen av både aerob H2-andning och atmosfärisk H2-oxidation inom phylum Chloroflexi.

hela cell kinetiska mätningar avslöjade att T. roseum oxiderar effektivt H2 och CO över ett brett spektrum av koncentrationer genom hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenasaktivitet. I kulturer uppvisar enzymerna en måttlig uppenbar hastighet (Vmax app av 376 nmol H2 och 149 nmol CO g−1 av protein min−1) och måttlig uppenbar affinitet (Km app av 569 nM H2 och 285 nM CO) för dessa substrat (Fig. 2C, D; tabell S2). När det gäller kolmonoxiddehydrogenas överensstämmer dessa observationer med att organismen kan använda CO vid förhöjda koncentrationer för tillväxt och atmosfäriska koncentrationer för uthållighet. De uppenbara kinetiska parametrarna för gruppen 1h-hydrogenas är mer lik de som nyligen beskrivits för verrucomicrobial methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum (Km = 600 nM) än för högaffinitets -, lågaktivitetshydrogenaser av tidigare beskrivna atmosfäriska H2-rensare (Km < 50 nM) . Sammantaget tyder dessa resultat på att T. roseum kan dra nytta av de förhöjda H2-och CO-koncentrationerna när de är tillgängliga genom geotermisk aktivitet och lever på atmosfäriska koncentrationer av dessa gaser annars.

i överensstämmelse med de observerade helcellsaktiviteterna körs celllysater på nativa polyakrylamidgeler starkt färgade för hydrogenas-och kolmonoxiddehydrogenasaktivitet (Fig. 2e). Molekylvikten för huvudbanden var respektive vid den förväntade molekylvikten för en kolmonoxiddehydrogenasdimer och något under den förväntade molekylvikten för en hydrogenasdimer . Detta är kompatibelt med biokemiska studier i andra organismer som har visat typ i kolmonoxiddehydrogenaser och grupp 1h-hydrogenaser bildar homodimerer . Vi verifierade därefter att hydrogenaset kopplades till andningskedjan genom att mäta H2-oxidation med hjälp av en H2-elektrod under aeroba förhållanden. Obehandlade celler oxiderade H2 i snabb takt. Denna aktivitet minskade med 2,5 gånger vid tillsats av den respiratoriska uncoupler CCCP och upphörde vid tillsats av jonofor valinomycin, medan ingen signifikant förändring i H2-oxidationshastigheten observerades med protonofor nigericin (Fig. 2f). Kombinationen av dessa resultat tyder på att oxidationen av väte är tätt kopplad till andningskedjan och denna interaktion kan kopplas till membranets elektriska gradient (XXL), men inte Ph-gradient (XXL).

fynd från transkriptomanalys och aktivitetsstudier tyder därför på att T. roseum kvarstår genom oxidation av atmosfärisk H2 och CO. Vi föreslår att gruppen 1h-hydrogenas och typ i kolmonoxiddehydrogenas direkt använder elektroner härledda från atmosfärisk H2 och CO för att stödja aerob andning (Fig. 1d). Det är troligt att dessa elektroner vidarebefordras via elektronbärare in i menakinonpoolen och överförs därefter till terminaloxidaserna. Ytterligare studier behövs dock för att bekräfta hur dessa proteiner funktionellt och fysiskt interagerar med andningskedjan, inklusive deras lokalisering och vilka elektronbärare de interagerar med. På grund av den genetiska intractabiliteten hos Klorflexi och bristen på specifika hydrogenas-eller kolmonoxiddehydrogenashämmare kunde vi inte heller bestämma nödvändigheten av antingen H2-eller CO-oxidation för långvarig överlevnad för denna organism. Tidigare studier har dock visat att genetisk deletion av gruppen 1h-hydrogenas minskar livslängden hos M. smegmatis-celler och Streptomyces avermitilis exospores .

rensning av atmosfäriska gaser är potentiellt en vanlig persistensstrategi inom den aeroba heterotrofa Klorflexi

efter att ha visat att T. roseum oxiderar atmosfäriska spårgaser under uthållighet, vi undersökte därefter om detta är en vanlig strategi som används av Klorflexi. Vi analyserade först andningsförmågan hos Thermogemmatispora sp. T81, en heterotrofisk cellulolytisk och sporulerande termofil, som vi tidigare isolerade från geotermiska jordar från Tikitere, Nya Zeeland . Analys av organismens genom (Assembly ID: GCA_003268475.1) indikerade att den kodar för centrala respiratoriska kedjekomponenter som liknar T. roseum, inklusive primära dehydrogenaser (nuo, ndh, sdh), terminala oxidaser (cox, cyo) och ATP-syntas (atp). Genomet kodar också förmodade operoner för de strukturella underenheterna i en grupp 1h-hydrogenas, mognadsfaktorerna för detta hydrogenas och strukturella underenheter av en typ i kolmonoxiddehydrogenas (figur S3). Homologer av det förmodade heterodisulfidreduktas-och ETF-komplexen kodade av T. roseum saknas emellertid från Thermogemmatispora sp. T81 genom.

vi verifierade att sporulerande kulturer av Thermogemmatispora sp. T81 förbrukar aktivt H2 och CO. Organismen oxiderade långsamt tillgängligt H2 och CO i huvudutrymmet till subatmosfäriska nivåer (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) över ~320 h (Fig. 3a, b). Även om denna stam tidigare har visat sig oxidera kolmonoxid, är detta den första observationen att den kan göra det till sub-atmosfäriska koncentrationer och under uthållighet. Dessa resultat tyder på att, trots deras distinkta evolutionära historier och ekologiska nischer, Thermogemmatispora sp. T81 och T. roseum har båda utvecklat liknande metaboliska strategier för att överleva näringsbegränsning.

analys av fördelningen av hydrogenaser och kolmonoxiddehydrogenaser inom allmänt tillgängliga referensgenom visade att genetisk kapacitet för spårgasrensning är ett vanligt drag bland aeroba Klorflexi. Specifikt kodades grupp 1h-hydrogenaser och typ i-kolmonoxiddehydrogenaser i tre av de fyra referensgenomerna inom Termomikrobialerna (klass Klorflexi) och fyra av de fem referensgenomerna inom Ktedonobacteriales (klass Ktedonobakterier) (Fig. 4a, b). Det senare inkluderar genomerna av den heterotrofa jordbakterien Ktedonobacter racemifer och det nitritoxiderande bioreaktorisolatet Nitrolancea hollandica . Dessutom kodade sju stammar inom den fotosyntetiska ordningen Klorflexaler grupp 1F och / eller grupp 2A-hydrogenaser (figur S4). Dessa hydrogenas klasser har visat sig förmedla aerob H2 oxidation i en rad bakterier, inklusive till sub-atmosfäriska koncentrationer i Acidobacterium ailaaui och M. smegmatis respektive . Dessutom avslöjade en metatranscriptomstudie att homologer från gruppen 1F-hydrogenas av Roseiflexusarter uttrycks starkt i geotermiska mikrobiella mattor på natten . Därför är det troligt att egenskaperna hos aerob H2-andning och eventuellt atmosfärisk H2-oxidation sträcker sig till de fotosyntetiska stammarna i denna fylum. En rad metagenommonterade genom, inklusive från den rikliga kandidatklassen Ellin6529, kodade också gener för aerob H2-och CO-oxidation (figur S4 & S5). I överensstämmelse med tidigare rapporter kodar Dehalokoccoidia grupp 1a-hydrogenaser som är kända för att underlätta dehalorespiration .

våra analyser tyder på att kapaciteten för atmosfärisk H2-och CO-oxidation kan ha utvecklats vid två eller flera tillfällen inom Kloroflexi. Fylogenetiska träd visar att gruppen 1h-hydrogenaser från Kloroflexi och Ktedonobakterier är divergerande och faller i två distinkta, robust stödda grenar (Fig. 4a). Det är därför mer troligt att Kloroflexi och Ktedonobakterier självständigt förvärvade dessa enzymer, till exempel som ett resultat av horisontella genöverföringshändelser från andra Terrabakterier, snarare än att vertikalt ärva dem från en gemensam förfader. Fylogenetisk analys antyder också att kolmonoxiddehydrogenas av typ i också kan ha förvärvats vid två eller tre tillfällen i denna fylum (Fig. 4b). I linje med deras troliga oberoende förvärv, de förmodade operonerna som kodar för hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenas i T. roseum (figur S2) och Thermogemmatispora sp. T81 (figur S3) är tydligt organiserade. Till exempel kodas de strukturella och tillbehörsfaktorerna för kolmonoxiddehydrogenas i en enda förmodad operon i Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), men separeras i en strukturell operon (coxGSLM) och tillbehör operon (inklusive coxG och coxE) i T. roseum. Dessa resultat överensstämmer med tidigare slutsatser av horisontell spridning av hhyl-och coxL-gener och föreslår att det finns starkt selektivt tryck för förvärv av metaboliska enzymer som stöder uthållighet. Andra förklaringar till deras observationer kan emellertid inte uteslutas och ytterligare analys krävs för att riva upp de komplexa evolutionära historierna för hydrogenaser och kolmonoxiddehydrogenaser.

ekologisk och biogeokemisk betydelse av metabolisk flexibilitet och spårgasoxidation i Chloroflexi

aeroba heterotrofa bakterier från phylum Chloroflexi är mer metaboliskt mångsidiga än tidigare trott. Transkriptomanalyserna visar tydligt att T. roseum reglerar sin ämnesomsättning som svar på näringsbegränsning, vilket möjliggör uthållighet på en kombination av exogena oorganiska föreningar och sannolika endogena kolreserver. Till stöd för detta visade gaskromatografimätningar att bakterien effektivt oxiderar H2 och CO ner till subatmosfäriska koncentrationer under persistens genom en aerob andningsprocess. Vi gjorde liknande resultat för Ktedonobakteriell isolat Thermogemmatispora sp. T81, vilket tyder på att spårgasrensning kan vara en vanlig uthållighetsstrategi som används av aerob Kloroflexi. Analyser av primär sekvens fylogeni och operonstruktur indikerar att Grupp 1 h-hydrogenaser och kolmonoxiddehydrogenaser inom dessa organismer faller i olika klader och är relativt divergerande. Därför är det troligt att dessa organismer horisontellt har förvärvat förmågan att oxidera atmosfärisk H2 och CO via separata händelser, även om andra förklaringar är möjliga. Den uppenbara konvergensen i persistensstrategier är anmärkningsvärd med tanke på de distinkta evolutionära historierna, persistensmorfologier (dvs. sporulation i T81) och ekologiska nischer av dessa bakterier. Resursgeneralism är därför sannolikt en gemensam ekologisk strategi för överlevnad av Kloroflexi i miljöer där organiskt kol och andra näringsämnen kan vara periodiskt knappa.

mer allmänt ger dessa fynd rent kulturstöd för hypotesen att atmosfärisk kolmonoxid fungerar som en energikälla för uthållighet . Våra resultat tyder på att uttrycket och aktiviteten av kolmonoxiddehydrogenas är kopplad till uthållighet och ger bevis för att atmosfärisk CO kan fungera som en elektrondonator för den aeroba andningskedjan i detta tillstånd. I själva verket, som med atmosfärisk H2, är atmosfärisk CO sannolikt en pålitlig energikälla för mikrobiell överlevnad med tanke på dess ubiquity, diffusibility och energitäthet. Genom att integrera dessa fynd med den bredare litteraturen är det troligt att atmosfärisk CO-oxidation är en allmän strategi som stöder långsiktig överlevnad av aeroba heterotrofa bakterier. Faktum är att olika heterotrofa bakterier tidigare har härletts för att kunna oxidera atmosfärisk CO, inklusive Proteobakterier , aktinobakterier och en Termogemmatispora-stam . Dessutom har andra dataset visat att kolmonoxiddehydrogenasuttryck aktiveras under näringsbegränsning i andra aeroba organismer . I motsats till atmosfärisk H2 återstår det emellertid att valideras genom genetiska och biokemiska studier att atmosfärisk CO-oxidation kan förbättra överlevnaden av bakterier under uthållighet. I linje med tidigare aktivitetsbaserade mätningar visar transkriptomanalysen att T. roseum uttrycker kolmonoxiddehydrogenas vid höga nivåer under tillväxt. Till skillnad från karboxydotrofer såsom Oligotropha karboxidovoraner , T. roseum som karboxydovore kan inte växa kemolithoautotrofiskt och verkar istället använda CO som en extra energikälla under heterotrofisk tillväxt. Det breda kinetiska området av T. roseum kolmonoxiddehydrogenas i hela celler möjliggör sannolikt att detta isolat både kvarstår på allmänt tillgänglig atmosfärisk CO och växer mixotrofiskt i mikromiljöer där CO är tillgängligt vid förhöjda koncentrationer (upp till 6000 ppmv) genom geotermisk aktivitet .

slutligen etablerar denna studie Klorflexi som det tredje fylet som experimentellt visat sig rensa atmosfärisk H2, efter aktinobakterier och Acidobakterier . Resultaten som gjorts här liknar de som tidigare rapporterats för actinobacterium Mycobacterium smegmatis och acidobacterium Pyrinomonas metylaliphatogenes , vilka båda också skiftar från heterotrofisk andning till atmosfärisk H2-oxidation som svar på energibegränsning, inklusive genom att uttrycka grupp 1h-hydrogenaser. Med tanke på minst fyra andra odlade phyla (Fig. 4a) och två kandidatfyla kodar också grupp 1h-hydrogenaser, det verkar alltmer troligt att atmosfärisk H2 fungerar som en allmän energikälla för aeroba heterotrofa bakterier. Denna observation är också potentiellt biogeokemiskt signifikant, med tanke på aeroba jordbakterier är kända för att vara huvudsänken i den globala vätecykeln . Ytterligare arbete behövs emellertid för att testa dessa om dessa principer sträcker sig till de fortfarande gåtfulla Kloroflexi-arterna som bor i mesofila jordmiljöer.

två Klorflexiklasser utvecklade oberoende förmågan att kvarstå på Atmosfäriskt väte och kolmonoxid

Thermomicrobium roseum uppreglerar hydrogenas och kolmonoxiddehydrogenasuttryck under ett samordnat svar på näringsämnen svält

T. roseum oxiderar aerobt H2 och CO vid ett brett spektrum av koncentrationer, inklusive subatmosfäriska nivåer, under persistens

rensning av atmosfäriska gaser är potentiellt en vanlig persistensstrategi inom den aeroba heterotrofa Klorflexi

ekologisk och biogeokemisk betydelse av metabolisk flexibilitet och spårgasoxidation i Chloroflexi

Published by admin

Lämna ett svar Avbryt svar