Zwei Chloroflexi-Klassen entwickelten unabhängig voneinander die Fähigkeit, auf atmosphärischem Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu persistieren

Thermomicrobium roseum reguliert die Expression von Hydrogenase und Kohlenmonoxiddehydrogenase während einer koordinierten Reaktion auf Nährstoffmangel

Wir verglichen die Transkriptome von dreifachen T. roseum-Kulturen unter nährstoffreichem (exponentiellem stationäre Phase). Insgesamt waren 401 Gene signifikant hochreguliert und 539 Gene wurden als Reaktion auf Nährstofflimitierung signifikant um mindestens das Zweifache (p < 10-6) herunterreguliert (Abb. 1a; Tabelle S1). Bei der Energiegewinnung und -nutzung wurden drei Haupttrends beobachtet. Erstens wurden Gene, die mit energetisch teuren Prozessen assoziiert sind, herunterreguliert, einschließlich solcher, die für ribosomale Proteine, Cytochrom-c- und Menachinon-Biosyntheseenzyme und den Megaplasmid-kodierten chemotaktischen und flagellaren Apparat kodieren (Tabelle S1). Zweitens gab es Hinweise auf die Mobilisierung interner Kohlenstoffspeicher, einschließlich eines Acetoindehydrogenase-Komplexes und eines Elektronentransfer-Flavoprotein-Komplexes (ETF). Drittens weisen die Expressionsprofile auf eine umfassende Umgestaltung der Atmungskette hin. Zwei primäre respiratorische Dehydrogenasen, die am heterotrophen Wachstum beteiligt sind (NADH-Dehydrogenasen vom Typ I und II), wurden herunterreguliert, während Komplexe, die an der lithotrophen Energieerzeugung beteiligt sind, und eine Succinatdehydrogenase hochreguliert wurden (Abb. 1a; Tabelle S1). Unter beiden Bedingungen waren die terminalen Oxidasen, die die aerobe Atmung vermitteln, stark exprimiert, und es gab keine Hinweise auf die Verwendung anderer Elektronenakzeptoren; Die Cytochrom-aa3-Oxidase wurde in beiden Phasen exprimiert und die alternative Cytochrom-bo3-Oxidase wurde während der stationären Phase hochreguliert. Im Gegensatz dazu wurde die F1Fo-ATPase (ATP-Synthase) herunterreguliert, ein Befund, der mit einer erwarteten Abnahme der Verfügbarkeit von Atmungselektronendonatoren während der Nährstofflimitierung übereinstimmt (Tabelle S1).

Differentielle Genexpression von nährstoffreichen (exponentielle Phase) und nährstoffbegrenzten (stationäre Phase) Kulturen von Thermomicrobium roseum. ein Vulkandiagramm, das die relative Expressionsänderung von Genen nach Nährstofflimitierung zeigt. Die Faltungsänderung zeigt das Verhältnis der normalisierten Transkripthäufigkeit von drei stationären Phasenkulturen geteilt durch drei exponentielle Phasenkulturen (biologische Replikate). Jedes Gen wird durch einen grauen Punkt dargestellt und alle Gene werden gemäß der Legende hervorgehoben. b, c Heatmaps der normalisierten Häufigkeit der mutmaßlichen Operonen, die für die strukturellen Untereinheiten der Gruppe 1h -Hydrogenase (hhyLS; b) und Typ I Kohlenmonoxiddehydrogenase (coxLSM; c) kodieren. Die Lesewerte pro Kilobase Million (RPKM) werden für drei exponentiell wachsende und drei stationäre biologische Replikate angezeigt. HP = hypothetisches Protein. d Differentialregulation der Atmungskomplexe, die die aerobe Atmung organischer und anorganischer Verbindungen vermitteln. Komplexe werden differentiell schattiert, je nachdem, ob sie in nährstofflimitierten Kulturen im Vergleich zu nährstoffreichen Kulturen signifikant hochreguliert (grün), herunterreguliert (orange) oder unverändert (grau) sind. Gennamen, Loci-Nummern und durchschnittliche Faltenänderungen in der Transkriptomhäufigkeit werden für jeden Komplex angezeigt. 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 reguliert Gene, die mit dem H2- und CO-Metabolismus unter nährstofflimitierenden Bedingungen assoziiert sind, hoch. Die Gene, die für die strukturellen Untereinheiten einer Gruppe 1h -Hydrogenase (hhyLS; trd_1878–1877) kodieren , einer Klasse von sauerstofftoleranten Enzymen, von denen bekannt ist, dass sie die atmosphärische H2-Oxidation vermitteln, wurden durchschnittlich um das 12,6-fache hochreguliert (Abb. 1b). Ebenfalls hochreguliert wurden die konservierten hypothetischen Proteine hhaABC (trd_1876-1874; 5.5-fach) , codiert auf demselben mutmaßlichen Operon wie die strukturellen Untereinheiten, sowie einem separaten mutmaßlichen Operon von Reifungsfaktoren (trd_1873–1863; 3,1-fach) (Abbildung S2; Tabelle S1). Die strukturellen (trd_1206–1208) und strukturellen (trd_1209–1215) Untereinheiten, die für eine Kohlenmonoxid-Dehydrogenase vom Typ I kodieren, wurden um durchschnittlich das Zweifache hochreguliert (Abb. 1c & S2) als Reaktion auf Nährstoffbegrenzung. In Übereinstimmung mit früheren Berichten über die CO-Nutzung während des Wachstums in diesem Organismus wurden Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Gene sowohl in exponentiellen als auch in stationären Phasenkulturen stark exprimiert. (Abb. 1c; Tabelle S1). Dies deutet darauf hin, dass T. roseum CO verwendet, um den verfügbaren organischen Kohlenstoff während des Wachstums (Mixotrophie) und der Persistenz zu ergänzen. Diese Ergebnisse ähneln weitgehend den Beobachtungen in anderen Phyla, insbesondere Actinobakterien und Proteobakterien, dass die Expression von Hydrogenase und Kohlenmonoxiddehydrogenase durch organische Kohlenstofflimitierung induziert wird .

Insgesamt war der größte Unterschied in der Genexpression ein 19-Gen–Cluster (trd_0160-0142), der mutmaßlich an der Oxidation von Schwefelverbindungen beteiligt war. Der Cluster enthält Gene, die für eine vermeintliche lösliche Heterodisulfid-Reduktase (hdrABC), einen Elektronentransfer-Flavoprotein-Komplex (etfAB), drei Schwefel-Trägerproteine (tusA, dsrE1, dsrE2), drei Lipoat-bindende Proteine (lbpA) und verschiedene hypothetische Proteine kodieren, die während der Persistenz durchschnittlich um das 45-fache hochreguliert werden. Die meisten dieser Komponenten haben Homologe in einem System, von dem kürzlich gezeigt wurde, dass es die Oxidation verschiedener organischer und anorganischer Schwefelverbindungen in Hyphomicrobium denitrificans vermittelt . Eine Rolle dieses Clusters kann darin bestehen, die Aktivierung und Oxidation endogener oder exogener thiolhaltiger Verbindungen zu vermitteln. Um dies zu erreichen, sagen wir voraus, dass der HDR-Komplex die Disulfidbindungsbildung zwischen der Thiolverbindung und einem Schwefel-Trägerprotein (z. B. TusA) katalysiert; Der HDR-Komplex überträgt dann die freigesetzten Elektronen in die Atmungskette, möglicherweise über den ETF-Komplex. Die Thioloxidation zu Disulfid ist exergonisch mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor. Während Hdr-Komplexe am besten für ihre Rolle bei der Heterodisulfidreduktion in methanogenen Archaeen charakterisiert sind , Sie wurden auch in schwefeloxidierenden und sulfatreduzierenden Bakterien untersucht, wo es vorhergesagt wurde, dass sie physiologisch reversibel sind . Durchweg ist der Hdr-Komplex von T. roseum am engsten mit denen von schwefeloxidierenden Sulfobacillus-, Hyphomicrobium- und Acidithiobacillus-Stämmen verwandt . Es scheint plausibel, dass T. roseum von einem Überlebensvorteil profitieren würde, wenn es reduzierte Schwefelverbindungen in geothermischen Quellen nutzen könnte. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um die Aktivität, die Substrate und die physiologische Rolle dieses Systems zu überprüfen.

Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass T. roseum metabolisch flexibler ist als bisher angenommen. Abb. 1d veranschaulicht die vorhergesagte Umgestaltung der Atmungskette, die während des Übergangs von nährstoffreichen zu nährstoffarmen Bedingungen auftritt. Die Hochregulierung von Enzymen, die an der Nutzung anorganischer Verbindungen beteiligt sind, in Verbindung mit der Herunterregulierung von Genclustern, die an der NADH-Oxidation beteiligt sind, legt nahe, dass T. roseum hat Mechanismen entwickelt, um die aerobe Atmung trotz Nährstoffschwankungen und Mangel in seiner Umgebung aufrechtzuerhalten.

T. roseum oxidiert während der Persistenz aerob H2 und CO in einem breiten Konzentrationsbereich, einschließlich subatmosphärischer Konzentrationen

Die hohen Expressionsniveaus für Gene, die für die Gruppe 1h -Hydrogenase und die Kohlenmonoxiddehydrogenase vom Typ I kodieren, legen nahe, dass T. roseum die Persistenz durch Oxidation von atmosphärischem H2 und CO unterstützen kann. Um dies zu testen, haben wir nährstofflimitierte Kulturen von T inkubiert. roseum in einem Umgebungsluftkopfraum, der mit ~ 14 ppmv H2 oder CO ergänzt wurde, und überwachte deren Verbrauch mittels Gaschromatographie. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese oxidierten Kulturen beide Gase in einem kinetischen Prozess erster Ordnung aerob; innerhalb von 71 h lagen die Mischungsverhältnisse dieser Gase (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) fünfmal unter dem atmosphärischen Niveau (Abb. 2a, b). Dies stellt die erste Beobachtung sowohl der aeroben H2-Atmung als auch der atmosphärischen H2-Oxidation innerhalb des Stammes Chloroflexi dar.

Hydrogenase- und Kohlenmonoxiddehydrogenase-Aktivität von Thermomicrobium roseum-Kulturen während der Nährstofflimitierung. a, b Oxidation von molekularem Wasserstoff (H2; a) und Kohlenmonoxid (CO; b) zu subatmosphärischen Werten durch T. roseum-Kulturen. Fehlerbalken zeigen Standardabweichungen von drei biologischen Replikaten, wobei durch Hitze abgetötete Zellen als Negativkontrolle überwacht werden (grau gestrichelte Linien). Mischungsverhältnisse von H2 und CO werden auf einer logarithmischen Skala angezeigt und gestrichelte Linien zeigen die durchschnittlichen atmosphärischen Mischungsverhältnisse von H2 (0,53 ppmv) und CO (0,10 ppmv). c, d Scheinbare kinetische Parameter von H2 (c) und CO (d) Oxidation durch T. roseum ganze Zellen. Kurven der besten Anpassung und kinetische Parameter wurden basierend auf einem nichtlinearen Michaelis–Menten-Regressionsmodell berechnet. Werte, die basierend auf Lineweaver-Burk-, Hanes-Woolf- und Eadie-Hofstee-Plots berechnet wurden, sind in Tabelle S2 dargestellt. e Zymographische Beobachtung der Hydrogenase- und Kohlenmonoxiddehydrogenase-Aktivität in T. roseum-Ganzzelllysaten. Die ersten beiden Spuren zeigen Proteinleiter und ganzes Protein, das mit Coomassie-Blau gefärbt ist. Die dritte und vierte Spur zeigen Hydrogenase- und Kohlenmonoxiddehydrogenase-Aktivität, die mit dem künstlichen Elektronenakzeptor Nitroblue Tetrazolium in einer H2-reichen bzw. f Amperometrische Messungen der Hydrogenaseaktivität in T. roseum-Gesamtzellen. Die Geschwindigkeit der H2-Oxidation wurde mit einer Wasserstoffelektrode vor und nach der Behandlung mit den Atementkopplern und Ionophoren Carbonylcyanid m-Chlorphenylhydrazin (CCCP), Nigericin und Valinomycin gemessen

Ganzzellkinetische Messungen zeigten, dass T. roseum oxidiert effizient H2 und CO in einem breiten Konzentrationsbereich durch Hydrogenase- und Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Aktivität. In Kulturen zeigen die Enzyme eine moderate Scheingeschwindigkeit (Vmax app von 376 nmol H2 und 149 nmol CO g−1 des Proteins min−1) und eine moderate Scheinaffinität (Km App von 569 nM H2 und 285 nM CO) für diese Substrate (Abb. 2c, d; Tabelle S2). In Bezug auf die Kohlenmonoxiddehydrogenase stimmen diese Beobachtungen damit überein, dass der Organismus CO in erhöhten Konzentrationen für das Wachstum und atmosphärische Konzentrationen für die Persistenz nutzen kann. Die scheinbaren kinetischen Parameter der Gruppe 1h -Hydrogenase ähneln eher denen, die kürzlich für das verrukomikrobielle Methanotroph Methylacidiphilum fumariolicum beschrieben wurden (Km = 600 nM), als den hochaffinen, niedrigaktiven Hydrogenasen von zuvor beschriebenen atmosphärischen H 2-Scavengern (Km < 50 nM). Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass T. roseum die erhöhten H2- und CO-Konzentrationen nutzen kann, wenn sie durch geothermische Aktivität verfügbar sind, und ansonsten von den atmosphärischen Konzentrationen dieser Gase leben kann.

In Übereinstimmung mit den beobachteten Ganzzellaktivitäten laufen Zelllysate auf nativen Polyacrylamidgelen, die stark auf Hydrogenase- und Kohlenmonoxiddehydrogenase-Aktivität gefärbt sind (Abb. 2e). Das Molekulargewicht der Hauptbanden lag jeweils bei dem erwarteten Molekulargewicht für ein Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Dimer und etwas unter dem erwarteten Molekulargewicht eines Hydrogenase-Dimers . Dies ist kompatibel mit biochemischen Studien in anderen Organismen, die gezeigt haben, dass Typ-I-Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen und Gruppe-1h -Hydrogenasen Homodimere bilden . Als nächstes verifizierten wir, dass die Hydrogenase an die Atmungskette gekoppelt war, indem wir die H2-Oxidation unter Verwendung einer H2-Elektrode unter aeroben Bedingungen gemessen haben. Unbehandelte Zellen oxidierten H2 schnell. Diese Aktivität nahm bei Zugabe des respiratorischen Entkopplers CCCP um das 2,5-fache ab und hörte bei Zugabe des Ionophors Valinomycin auf, während beim Protonophor Nigericin keine signifikante Veränderung der H2-Oxidationsrate zu beobachten war (Abb. 2f). Die Kombination dieser Ergebnisse legt nahe, dass die Oxidation von Wasserstoff eng an die Atmungskette gekoppelt ist und diese Wechselwirkung mit dem elektrischen Gradienten (Δh), aber nicht mit dem pH-Gradienten (ΔpH) der Membran verbunden sein kann.

Ergebnisse der Transkriptomanalyse und Aktivitätsstudien legen daher nahe, dass T. roseum durch Oxidation von atmosphärischem H2 und CO persistiert. Wir schlagen vor, dass die Gruppe 1h -Hydrogenase und die Kohlenmonoxiddehydrogenase vom Typ I direkt Elektronen verwenden, die von atmosphärischem H2 und CO abgeleitet sind, um die aerobe Atmung zu unterstützen (Abb. 1d). Es ist wahrscheinlich, dass diese Elektronen über Elektronenträger in den Menachinonpool weitergeleitet und anschließend auf die terminalen Oxidasen übertragen werden. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um zu bestätigen, wie diese Proteine funktionell und physikalisch mit der Atmungskette interagieren, einschließlich ihrer Lokalisierung und mit welchen Elektronenträgern sie interagieren. Aufgrund der genetischen Unlösbarkeit von Chlorflexi und des Fehlens spezifischer Hydrogenase- oder Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Inhibitoren konnten wir auch nicht die Notwendigkeit einer H2- oder CO-Oxidation für ein längeres Überleben dieses Organismus bestimmen. Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass die genetische Deletion der Gruppe 1h -Hydrogenase die Langlebigkeit von M. smegmatis-Zellen und Streptomyces avermitilis-exosporen verringert .

Das Auffangen atmosphärischer Gase ist möglicherweise eine gängige Persistenzstrategie innerhalb des aeroben heterotrophen Chlorflexi

Nachdem gezeigt wurde, dass T. roseum oxidiert atmosphärische Spurengase während der Persistenz, Wir untersuchten anschließend, ob dies eine gängige Strategie der Chlorflexi ist. Wir analysierten zunächst die Atmungsfähigkeit von Thermogemmatispora sp. T81, ein heterotropes zellulolytisches und sporulierendes Thermophil, das wir zuvor aus geothermischen Böden aus Tikitere, Neuseeland, isoliert haben . Die Analyse des Genoms des Organismus (Assembly ID: GCA_003268475.1) zeigte, dass es Kernkomponenten der Atmungskette ähnlich wie T kodiert. roseum, einschließlich primärer Dehydrogenasen (nuo, ndh, sdh), terminaler Oxidasen (cox, cyo) und ATP-Synthase (atp). Das Genom kodiert auch mutmaßliche Operonen für die strukturellen Untereinheiten einer Gruppe 1h -Hydrogenase, die Reifungsfaktoren dieser Hydrogenase und strukturelle Untereinheiten einer Kohlenmonoxiddehydrogenase vom Typ I (Abbildung S3). Homologe der von T. roseum kodierten mutmaßlichen Heterodisulfidreduktase- und ETF-Komplexe fehlen jedoch in der Thermogemmatispora sp. T81 Genom.

Wir haben nachgewiesen, dass sporulierende Kulturen von Thermogemmatispora sp. T81 verbrauchen aktiv H2 und CO. Der Organismus oxidierte langsam verfügbares H2 und CO im Kopfraum auf subatmosphärische Werte (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) über ~ 320 h (Abb. 3a, b). Obwohl zuvor gezeigt wurde, dass dieser Stamm Kohlenmonoxid oxidiert , ist dies die erste Beobachtung, dass er dies bei subatmosphärischen Konzentrationen und während der Persistenz tun kann. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Thermogemmatispora sp. T81 und T. roseum haben beide ähnliche metabolische Strategien entwickelt, um die Nährstofflimitierung zu überleben.

Hydrogenase- und Kohlenmonoxiddehydrogenase-Aktivität von Thermogemmatispora sp. T81 während der Sporulation. Oxidation von molekularem Wasserstoff (H2; a) und Kohlenmonoxid (CO; b) zu subatmosphärischen Werten durch Thermogemmatispora sp. T81 Kulturen. Fehlerbalken zeigen Standardabweichungen von drei biologischen Replikaten, wobei durch Hitze abgetötete Zellen als Negativkontrolle überwacht werden (grau gestrichelte Linien). Mischungsverhältnisse von H2 und CO werden auf einer logarithmischen Skala angezeigt und gestrichelte Linien zeigen die durchschnittlichen atmosphärischen Mischungsverhältnisse von H2 (0,53 ppmv) und CO (0.10 ppmv)

Die Analyse der Verteilung von Hydrogenasen und Kohlenmonoxiddehydrogenasen innerhalb öffentlich zugänglicher Referenzgenome zeigte, dass die genetische Fähigkeit zur Spurengasspülung ein gemeinsames Merkmal von aeroben Chlorflexien ist. Insbesondere wurden Gruppe-1h-Hydrogenasen und Typ-I-Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen in drei der vier Referenzgenome innerhalb der Thermomikrobiales (Klasse Chloroflexia) und vier der fünf Referenzgenome innerhalb der Ktedonobacteriales (Klasse Ktedonobacteria) kodiert (Abb. 4a, b). Letzteres umfasst die Genome des heterotrophen Bodenbakteriums Ktedonobacter racemifer und des nitritoxidierenden Bioreaktorisolats Nitrolancea hollandica . Darüber hinaus kodierten sieben Stämme innerhalb der photosynthetischen Ordnung Chloroflexales Gruppe 1f und / oder Gruppe 2a -Hydrogenasen (Abbildung S4). Es wurde gezeigt, dass diese Hydrogenase-Klassen die aerobe H2-Oxidation in einer Reihe von Bakterien vermitteln, einschließlich subatmosphärischer Konzentrationen in Acidobacterium ailaaui bzw. Darüber hinaus ergab eine Metatranskriptomstudie, dass Homologe der Gruppe 1f -Hydrogenase von Roseiflexus-Arten nachts in geothermischen mikrobiellen Matten stark exprimiert werden . Daher, Es ist wahrscheinlich, dass sich die Merkmale der aeroben H2-Atmung und möglicherweise der atmosphärischen H2-Oxidation auf die photosynthetischen Stämme dieses Stammes erstrecken. Eine Reihe von Metagenom-assemblierten Genomen, einschließlich der reichlich vorhandenen Kandidatenklasse Ellin6529 , kodierten auch Gene für die aerobe H2- und CO-Oxidation (Abbildung S4 & S5). In Übereinstimmung mit früheren Berichten kodieren Dehalococcoidien für Gruppe-1a -Hydrogenasen, von denen bekannt ist, dass sie die Dehalorespiration erleichtern .

Evolutionsgeschichte der Gruppe 1h -Hydrogenase und Typ I Kohlenmonoxid-Dehydrogenase. Phylogenetische Bäume, die die Verteilung und Evolutionsgeschichte der katalytischen (großen) Untereinheiten der Gruppe 1h -Hydrogenase (hhyL; a) und Typ I Kohlenmonoxiddehydrogenase (coxL; b) im Stamm Chloroflexi zeigen. Chloroflexi-Sequenzen (nach Klasse markiert) sind fett gegen Referenzsequenzen (nach Stamm markiert) dargestellt. Bäume wurden unter Verwendung von Aminosäuresequenzen durch die Maximum-Likelihood-Methode (Lücken mit partieller Deletion behandelt) konstruiert und mit 100 Replikaten bootstrappt. Die Bäume wurden jeweils mit Gruppen-1g -Hydrogenase-Sequenzen (WP_011761956.1, WP_048100713.1) und Typ-II-Kohlenmonoxid-Dehydrogenase-Sequenzen (WP_011388721.1, WP_012893108.1) verwurzelt. Die Verteilung anderer respiratorischer Aufnahmehydrogenasen innerhalb von Genomen und metagenomassemblierten Genomen (MAGs) im Stamm Chloroflexi ist in Abbildung S4 dargestellt. Die Verteilung der Kohlenmonoxid-Dehydrogenasen vom Typ I in Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) im Stamm Chloroflexi ist in Abbildung S5 dargestellt

Unsere Analysen legen nahe, dass sich die Kapazität für die atmosphärische H2- und CO-Oxidation innerhalb der Chlorflexien zwei- oder mehrmals entwickelt haben könnte. Phylogenetische Bäume zeigen, dass die Gruppe 1h -Hydrogenasen aus Chloroflexie und Ktedonobakterien divergent sind und in zwei verschiedene, robust unterstützte Zweige fallen (Abb. 4a). Es ist daher wahrscheinlicher, dass Chloroflexie und Ktedonobakterien diese Enzyme unabhängig voneinander erworben haben, beispielsweise als Ergebnis horizontaler Gentransferereignisse von anderen Terrabakterien, anstatt sie vertikal von einem gemeinsamen Vorfahren zu erben. Die phylogenetische Analyse legt auch nahe, dass die Kohlenmonoxiddehydrogenase vom Typ I in diesem Stamm auch zwei- oder dreimal erworben worden sein könnte (Abb. 4b). In Übereinstimmung mit ihrem wahrscheinlichen unabhängigen Erwerb kodieren die mutmaßlichen Operonen die Hydrogenase und Kohlenmonoxiddehydrogenase in T. roseum (Abbildung S2) und Thermogemmatispora sp. T81 (Abbildung S3) sind deutlich organisiert. Zum Beispiel werden die strukturellen und akzessorischen Faktoren der Kohlenmonoxiddehydrogenase in einem einzigen mutmaßlichen Operon in Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), werden aber in T. roseum in ein strukturelles Operon (coxGSLM) und ein akzessorisches Operon (einschließlich coxG und coxE) unterteilt. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Schlussfolgerungen der horizontalen Verbreitung von hhyL- und coxL-Genen überein und legen nahe, dass ein starker selektiver Druck für den Erwerb metabolischer Enzyme besteht, die die Persistenz unterstützen. Andere Erklärungen für ihre Beobachtungen können jedoch nicht ausgeschlossen werden, und weitere Analysen sind erforderlich, um die komplexen Evolutionsgeschichten von Hydrogenasen und Kohlenmonoxiddehydrogenasen zu entschlüsseln.

Ökologische und biogeochemische Bedeutung der metabolischen Flexibilität und Spurengasoxidation in Chloroflexi

Aerobe heterotrophe Bakterien aus dem Stamm Chloroflexi sind metabolisch vielseitiger als bisher angenommen. Die Transkriptomanalysen zeigen deutlich, dass T. roseum seinen Stoffwechsel als Reaktion auf Nährstofflimitierung reguliert, was eine Persistenz auf einer Kombination von exogenen anorganischen Verbindungen und wahrscheinlich endogenen Kohlenstoffreserven ermöglicht. Gaschromatographische Messungen zeigten, dass das Bakterium H2 und CO während der Persistenz durch einen aeroben Atmungsprozess effizient in subatmosphärische Konzentrationen oxidiert. Ähnliche Ergebnisse haben wir für das Ktedonobakterienisolat Thermogemmatispora sp. T81, was darauf hindeutet, dass Spurengasspülung eine gemeinsame Persistenzstrategie sein könnte, die von aerobem Chlorflexi eingesetzt wird. Analysen der Primärsequenzphylogenie und der Operonenstruktur zeigen, dass die Gruppe 1 h -Hydrogenasen und Kohlenmonoxiddehydrogenasen in diesen Organismen fallen in verschiedene Kladen und sind relativ divergent. Daher ist es wahrscheinlich, dass diese Organismen bereits die Fähigkeit erworben haben, atmosphärisches H2 und CO durch separate Ereignisse zu oxidieren, obwohl andere Erklärungen möglich sind. Die scheinbare Konvergenz der Persistenzstrategien ist angesichts der unterschiedlichen Evolutionsgeschichten, der Persistenzmorphologien (d. H. Der Sporulation in T81) und der ökologischen Nischen dieser Bakterien bemerkenswert. Ressourcengeneralismus ist daher wahrscheinlich eine gemeinsame ökologische Strategie für das Überleben von Chlorflexi in Umgebungen, in denen organischer Kohlenstoff und andere Nährstoffe periodisch knapp sein können.

Im weiteren Sinne bieten diese Ergebnisse Reinkulturunterstützung für die Hypothese, dass atmosphärisches Kohlenmonoxid als Energiequelle für die Persistenz dient . Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Expression und Aktivität von Kohlenmonoxid-Dehydrogenase mit der Persistenz verbunden ist, und liefern Hinweise darauf, dass atmosphärisches CO als Elektronendonor für die aerobe Atmungskette in diesem Zustand dienen kann. Wie bei atmosphärischem H2 ist atmosphärisches CO aufgrund seiner Allgegenwart, Diffusionsfähigkeit und Energiedichte wahrscheinlich eine zuverlässige Energiequelle für das Überleben von Mikroorganismen. Die Integration dieser Ergebnisse mit der breiteren Literatur, Es ist wahrscheinlich, dass die atmosphärische CO-Oxidation eine allgemeine Strategie ist, die das langfristige Überleben aerober heterotropher Bakterien unterstützt. In der Tat wurde zuvor angenommen, dass verschiedene heterotrophe Bakterien in der Lage sind, atmosphärisches CO zu oxidieren, einschließlich Proteobakterien , Actinobakterien und ein Thermogemmatispora-Stamm . Darüber hinaus haben andere Datensätze gezeigt, dass die Expression von Kohlenmonoxiddehydrogenase während der Nährstofflimitierung in anderen aeroben Organismen aktiviert wird . Im Gegensatz zu atmosphärischem H2 muss jedoch noch durch genetische und biochemische Studien bestätigt werden, dass die atmosphärische CO-Oxidation das Überleben von Bakterien während der Persistenz verbessern kann. In Übereinstimmung mit früheren aktivitätsbasierten Messungen zeigt die Transkriptomanalyse, dass T. roseum während des Wachstums Kohlenmonoxiddehydrogenase in hohen Konzentrationen exprimiert. Im Gegensatz zu Carboxydotrophen wie Oligotropha carboxidovorans , T. roseum als Carboxydovore kann nicht chemolithoautotroph wachsen und scheint stattdessen CO als zusätzliche Energiequelle während des heterotrophen Wachstums zu verwenden. Der breite kinetische Bereich der T. roseum-Kohlenmonoxiddehydrogenase in ganzen Zellen ermöglicht es diesem Isolat wahrscheinlich, sowohl auf ubiquitär verfügbarem atmosphärischem CO zu bestehen als auch mixotroph in Mikroumgebungen zu wachsen, in denen CO in erhöhten Konzentrationen (bis zu 6000 ppmv) durch geothermische Aktivität verfügbar ist .

Schließlich wird in dieser Studie festgestellt, dass Chloroflexi nach den Actinobakterien und Acidobakterien das dritte Phylum ist, von dem experimentell gezeigt wurde, dass es atmosphärisches H2 auffängt . Die hier gemachten Ergebnisse ähneln denen, die zuvor für das Actinobacterium Mycobacterium smegmatis und Acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes berichtet wurden , Beide verschieben sich auch von der heterotrophen Atmung zur atmosphärischen H2 -Oxidation als Reaktion auf Energiebegrenzung, einschließlich durch Expression von Gruppe 1h -Hydrogenasen. Bei mindestens vier weiteren kultivierten Phyla (Abb. 4a) und zwei Kandidaten Phyla kodieren auch Gruppe 1h -Hydrogenasen, es scheint immer wahrscheinlicher, dass atmosphärische H2 dient als allgemeine Energiequelle für aerobe heterotrophe Bakterien. Diese Beobachtung ist auch potenziell biogeochemisch bedeutsam, da aerobe Bodenbakterien bekanntermaßen die Hauptsenke im globalen Wasserstoffkreislauf sind . Weitere Arbeiten sind jedoch erforderlich, um zu testen, ob sich diese Prinzipien auf die immer noch rätselhaften Chloroflexi-Arten erstrecken, die mesophile Bodenumgebungen bewohnen.