Культивирование морских бактерий клады SAR202.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5098 (2023) Цитировать эту статью

1838 доступов

34 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактерии клады SAR202, входящие в тип Chloroflexota, повсеместно распространены в океане, но еще не культивировались в лаборатории. Было высказано предположение, что древние расширения паралогов катаболических ферментов расширили спектр органических соединений, которые могли окислять бактерии SAR202, что привело к трансформации углеродного цикла Земли. Здесь мы сообщаем об успешном культивировании бактерий SAR202 из поверхностной морской воды с использованием культивирования по методу разведения до исчезновения. Рост этих штаммов очень медленный (0,18–0,24 сут-1) и ингибируется под воздействием света. Геномы, ок. 3,08 МБП, кодируют археллы (структуры подвижности архей) и несколько наборов паралогов ферментов, включая 80 генов, кодирующих ферменты суперсемейства енолаз, и 44 гена, кодирующих НАД (Ф)-зависимые дегидрогеназы. Мы предполагаем, что эти паралоги ферментов участвуют в нескольких параллельных путях нефосфорилирующего катаболизма сахаров и сахарных кислот. Действительно, мы демонстрируем, что штаммы SAR202 могут использовать несколько субстратов, которые метаболизируются предсказанными путями, такие как сахара ʟ-фукоза и ʟ-рамноза, а также их лактонные и кислотные формы.

Клада SAR202 филума Chloroflexota распространена повсеместно в океане, составляя 10–30% планктонных прокариот в глубоководных водах1,2,3,4,5,6,7. Различные свойства, связанные с органогетеротрофией и метаболизмом серы и азота, были интерпретированы на основе сборок метагенома SAR202 и последовательностей одноклеточного генома6,8,9,10,11,12. Семь групп (субкладов) SAR202 индивидуально различаются по количеству и типам содержащихся в них паралогов8,12, что указывает на связь между эволюцией паралогов и нишевой специализацией субкладов.

Предполагается, что паралогичные гены флавинзависимой монооксигеназы в группе III SAR202, число которых в некоторых случаях превышает 100 на геном, развились для сбора углерода и энергии из разнообразных органических молекул, которые накапливались в океанах во время расширения углеродного цикла Земли после повышения оксигенной фототрофии8,12,13. Аналогичным образом, в группе I SAR202, как предполагается, развились большие количества паралогов в суперсемействе белков енолазы, позволяющие этим клеткам метаболизировать соединения, которые устойчивы к биологическому окислению из-за их хиральной сложности. Раннее ветвление этих паралогов на филогенетических деревьях указывает на то, что эволюция клеток SAR202 была суровым испытанием для их диверсификации8,12,13.

Клетки SAR202 обнаруживаются во всех толщах океанских вод, достигая наибольшего количества вблизи поверхности океана, но они составляют более высокий процент всех клеток планктона в мезо-, бати-, хадал- и абиссопелагических зонах5,10,12. Группы I и II SAR202 имеют гены родопсина в своих геномах и являются наиболее распространенным SAR202 в эпипелагических средах, тогда как группа III, лишенная генов родопсина, в значительной степени ответственна за высокую относительную распространенность SAR202 в темном океане.

Культивирование непредставленных типов клеток является приоритетом для микробиологов, поскольку клетки часто проявляют свойства, которые невозможно легко предсказать по их геномам14. Недавнее исследование показало, что выводы на основе генома не могут надежно предсказать катаболические пути для более чем 50% источников углерода, используемых различными прокариотами, имеющими хорошо подобранные фенотипические данные15. Несмотря на недавний всплеск интереса и технологические достижения в области культивирования, значительная часть групп прокариот остается некультивируемой16. Клада SAR202 пока не имеет культивируемых изолятов, что делает ее одной из «самых востребованных» в культуре и ключевой «мишенью для культивирования»14,17.

Здесь мы сообщаем об успешном культивировании бактерий SAR202. Двадцать четыре изолята субклада I были извлечены из проб поверхностной морской воды путем разведения до гашения в стерильной среде морской воды. Метаболическая реконструкция, подтвержденная экспериментальными данными с клетками, участвующими паралогами енолазы и дегидрогеназы в нефосфорилирующем окислении сахара. Мы предполагаем, что множественные параллельные метаболические пути этого типа позволяют этим клеткам собирать сложные смеси родственных сахару соединений из пулов растворенного органического углерода. SAR202, которые встречаются в водной толще современных океанов, развивались одновременно с ростом оксигенной фототрофии13. Мы предполагаем, что они расширились и заняли нишу сбора разбавленных и разнообразных молекул, связанных с углеводами, по мере окисления океанов.