SAR202クレードの海洋細菌の培養

Nature Communications volume 14、記事番号: 5098 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

クロロフレックス門に属する SAR202 クレードの細菌は、海洋に遍在して分布していますが、研究室ではまだ培養されていません。 太古の異化酵素パラログの拡大により、SAR202細菌が酸化できる有機化合物のスペクトルが広がり、地球の炭素循環の変化につながったと考えられている。 ここでは、希釈死滅培養を使用して表層海水から SAR202 細菌の培養に成功したことを報告します。 これらの菌株の増殖は非常に遅く (0.18 ～ 0.24 日 -1)、光にさらされると阻害されます。 ゲノムは約 3.08 Mbp、古細菌（古細菌の運動構造）と、エノラーゼ スーパーファミリー酵素をコードする 80 個の遺伝子および NAD(P) 依存性デヒドロゲナーゼをコードする 44 個の遺伝子を含む複数の酵素パラログのセットをコードします。 我々は、これらの酵素パラログが糖と糖酸の非リン酸化異化のための複数の並行経路に関与していると提案します。 実際、我々は、SAR202 株が、糖類の ʟ-フコースや ʟ-ラムノース、さらにそれらのラクトンや酸の形態など、予測された経路を通じて代謝されるいくつかの基質を利用できることを実証しました。

クロロフレックス門の SAR202 クレードは海洋に遍在して分布しており、深海の浮遊原核生物の 10 ～ 30% を占めています 1,2,3,4,5,6,7。 器官従属栄養性および硫黄および窒素の代謝に関連するさまざまな特性は、SAR202 メタゲノム アセンブリおよび単細胞ゲノム配列から解釈されています 6、8、9、10、11、12。 SAR202 の 7 つのグループ (サブクレード) は、含まれるパラログの数と種類が個別に異なっており 8,12 、パラログの進化とサブクレードのニッチ特殊化との関係が示唆されています。

グループIII SAR202のパラロガスなフラビン依存性モノオキシゲナーゼ遺伝子は、ゲノム当たり100を超える場合もあり、地球の炭素循環の拡大中に海洋に蓄積した多様な有機分子から炭素とエネルギーを回収するために進化したと提案されている。酸素発生性光合成反応8,12,13。 同様に、グループ I SAR202 では、エノラーゼタンパク質スーパーファミリーのパラログの大規模な拡張が、これらの細胞がキラルの複雑さのために生物学的酸化に抵抗する化合物を代謝できるように進化したと提案されています。 系統樹におけるこれらのパラログの初期分岐は、SAR202 細胞の進化がそれらの多様化のるつぼであったことを示しています 8,12,13。

SAR202 細胞は海水柱全体に存在し、海面近くで最も多く存在しますが、中深海、深深層、深層深層、および深遠深層のすべてのプランクトン細胞の割合が高くなります 5,10,12。 グループ I および II の SAR202 はゲノムにロドプシン遺伝子を持ち、表層環境で最も豊富な SAR202 ですが、グループ III はロドプシン遺伝子を欠いているため、暗い海洋での SAR202 の相対存在量が高いことが主な原因です。

細胞はゲノムからは容易に予測できない特性を示すことが多いため、未表現の細胞タイプの培養は微生物学者にとって優先事項です。 最近の研究では、ゲノムベースの推論では、十分に精選された表現型データを持つ多様な原核生物が利用する炭素源の 50% 以上の異化経路を確実に予測できないことが示されています 15。 最近の栽培への関心の高まりと技術の進歩にもかかわらず、原核生物のグループの多くは培養されていないままです16。 SAR202 クレードには培養分離株がまだ存在せず、培養において「最も求められている」ものの 1 つであり、重要な「培養対象」となっています 14,17。

今回我々は、SAR202 細菌の培養に成功したことを報告する。 サブクレード I の 24 の分離株を、滅菌海水培地での消滅までの希釈により表層海水サンプルから回収しました。 細胞を用いた実験データによって裏付けられた代謝再構築は、非リン酸化糖酸化におけるエノラーゼおよびデヒドロゲナーゼパラログの関与を示唆した。 私たちは、このタイプの複数の平行した代謝経路により、これらの細胞が溶解した有機炭素プールから糖関連化合物の複雑な混合物を収集できると提案します。 SAR202 は現代の海洋の水柱全体に見られ、酸素発生性光栄養性の上昇と同時に進化しました 13。 私たちは、海洋が酸化するにつれて、それらが希薄で多様な炭水化物関連分子を採取するニッチ分野に拡大したと考えています。