stringtranslate.com

Метанококк марипалудис

Methanococcus maripaludis — это вид метаногенных архей, встречающийся в морской среде, преимущественно в солончаках. [1] M. maripaludis — непатогенный, грамотрицательный , слабоподвижный , неспорообразующий и строго анаэробный мезофил . [2] Он классифицируется как хемолитоавтотроф. [3] Этот архей имеет плеоморфную коккоидно-палочковую форму размером 1,2 на 1,6 мкм , в среднем, и имеет множество уникальных метаболических процессов, которые помогают выживать. [2] [4] M. maripaludis также имеет секвенированный геном, состоящий примерно из 1,7 Мбн с более чем 1700 идентифицированными генами, кодирующими белки. [5] В идеальных условиях M. maripaludis быстро растет и может удваиваться каждые два часа. [4]

Метаболизм

Метаболический ландшафт M. maripaludis состоит из восьми основных подсистем , которые обеспечивают пути для генерации энергии и роста клеток . Эти подсистемы включают метаболизм аминокислот , гликолиз / метаболизм гликогена , метаногенез , метаболизм азота , неокислительный пентозофосфатный путь (NOPPP) , метаболизм нуклеотидов и цикл восстановительной лимонной кислоты (RTCA) . [4]

Метаногенез , процесс восстановления углекислого газа до метана , служит основным путем для получения энергии с использованием коферментов и мембраносвязанного ферментного комплекса . [6] Путь метаногенеза использует тот же источник углерода , что и остальные семь подсистем для роста клеток. [4] Кроме того, подсистемы используют два основных промежуточных продукта , ацетил-КоА и пируват , для производства предшественников, критически важных для роста клеток. [4]

Аминокислота

M. maripaludis использует углекислый газ и ацетат в качестве субстратов для биосинтеза аминокислот . [4] Каждый из этих субстратов может производить ацетил-КоА посредством различных механизмов. [4] Используя углекислый газ, M. maripaludis может генерировать ацетил-КоА из метил-ТГМПТ, промежуточного продукта метаногенеза , и оксида углерода , получаемого при восстановлении углекислого газа . [4] Используя ацетат, ацетил-КоА синтезируется из АМФ- образующей ацетат-КоА-лигазы. [4] Затем ацетил-КоА действует как предшественник пирувата , который способствует метаногенезу и биосинтезу аланина . [4] Пируват может быть преобразован в L-аланин с помощью аланиндегидрогеназы , что является обратимой реакцией . После синтеза аланина он может транспортироваться в микроб с помощью аланинпермеазы . [ 4]

Гликолиз с образованием гликогена

M. maripaludis имеет модифицированный путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса (ЭМП), путь гликолиза . В отличие от других организмов, которые восстанавливают НАД до НАДН в пути ЭМП, M. maripaludis восстанавливает ферродоксины . Кроме того, протеинкиназы , ответственные за перенос фосфатных групп между соединениями, однозначно полагаются на АДФ, а не на АТФ. [4] Кроме того, M. maripaludis также способен синтезировать гликоген . [4] Благодаря экспериментально наблюдаемой активности ферментов, участвующих как в катаболическом, так и в анаболическом направлениях пути ЭМП, последний используется в большей степени, что приводит к образованию запасов гликогена. [4]

Метаногенез

В M. maripaludis основным источником углерода для метаногенеза является углекислый газ, хотя также используются альтернативы, такие как формиат. Хотя все метаногены используют определенные ключевые коферменты , кофакторы и промежуточные продукты для производства метана, M. maripaludis проходит цикл Вульфа , который преобразует CO2 и водород в метан и H2O . [ 7] В M. maripaludis присутствует 7 различных гидрогеназ , которые позволяют использовать H2 в качестве донора электронов для восстановления CO2 . [4] Было показано, что некоторые штаммы и мутанты M. maripaludis способны к метаногенезу в отсутствие водорода, хотя это встречается редко. [8]

Метаногенез у M. maripaludis происходит в следующие этапы:

  1. Восстановление CO 2 с помощью метанофурана и восстановленных ферредоксинов [9]
  2. Окисление и последующее восстановление кофермента F420 в присутствии H 2 [10] [9]
  3. Перенос метильной группы от метил-THMPT к коферменту M (HS-CoM), что приводит к перемещению 2 Na + через мембрану и усилению протонного градиента [11]
  4. Деметилирование метил-S-CoM с образованием метана и получением дополнительной энергии посредством последующего восстановления побочных продуктов с помощью H 2 [12]

Азот

M. maripaludis использует три источника азота: аммиак , аланин и диазот с аммиаком. [4] Усвоение азота происходит в бактериях через аммиак, когда неорганическое соединение азота преобразуется в органическое соединение азота. У M. maripaludis глутаминсинтетаза используется для производства глутамина из глутамата и аммиака. Образованный затем глутамин отправляется на продолжение синтеза белка. [4]

M. maripaludis использует аланинрацемазу и аланинпермеазу для поглощения аланина. [4] Фермент рацемаза используется для преобразования инверсии стереохимии внутри молекулы, в то время как пермеаза представляет собой белок, который катализирует транспорт молекулы через мембрану. [13]

Свободная фиксация N 2 хорошо известна в M. maripaludis. M. maripaludis содержит многобелковый азотный комплекс, содержащий белок Fe и MoFe. [4] Ферредоксин восстанавливается и восстанавливает окисленное Fe, лишая Fe его электронов в присутствии N 2 . Теперь восстановленный белок Fe окисляется АТФ, восстанавливая белок MoFe. [4] Затем белок MoFe восстанавливает N 2 до аммиака. Этот восстановительный этап использует электроны из восстановленного ферредоксина, что требует большого количества энергии. Фиксация N 2 неблагоприятна в M. maripaludis из-за высокой потребности в энергии, поэтому клетка обычно не активирует этот путь фиксации, когда доступны аммиак и аланин. [4]

Пентозофосфатный путь

Пентозофосфатный путь необходим для M. maripaludis для производства нуклеотидов и нуклеиновых кислот . [4] M. maripaludis содержит высокую активность неокислительных ферментов, но не имеет окислительной ферментативной активности. [4] Неокислительный означает, что ферменты не обладают способностью соединяться с кислородом и окисляться. Неокислительный пентозофосфатный путь (NOPPP) регулируется и используется через доступность субстрата. У M. maripaludis рибулозо-5-фосфат преобразуется в эритрозо-4-фосфат и фруктозо-6-фосфат . [4] В этом преобразовании используются четыре фермента: транскетолоаза, рибулозо-фосфат-3-эпимераза, рибозо-5-фосфат-изомераза и транслальдолаза. [4]

Метаболизм нуклеотидов

Метаболизм нуклеотидов M. maripaludis хорошо изучен. Для биосинтеза нуклеиновых кислот метаноген должен производить пиримидины , такие как уридинтрифосфат (UTP) и цитидинтрифосфат (CTP), а также пурины, такие как гуанинтрифосфат (GTP) и аденозинтрифосфат (ATP). Для синтеза пиримидинов фосфорибозилпирофосфат (PRPP) соединяется с бикарбонатом, L-глутамином или оротатом. Эта комбинация синтезирует уридинмонофосфат, который затем может быть преобразован в уридинтрифосфат (UTP). UMP также функционирует как предшественник CTP. [4] Для синтеза пуринов сначала производится инозиновая кислота (IMP) с помощью серии реакций, которые включают соединение PRPP с глутамином с образованием 5-фосфорибозиламина. Эта реакция катализируется PRPP-синтетазой. После синтеза ИМФ он может быть далее преобразован в аденозинмонофосфат (АМФ) и гуанинмонофосфат (ГМФ). Для синтеза АМФ ИМФ соединяется с аденилосукцинатом. Для синтеза ГМФ ИМФ преобразуется в ксантинмонофосфат (ХМП), который затем может быть преобразован в ГМФ. [4]

Цикл восстановительной лимонной кислоты (RTCA)

Цикл трикарбоновых кислот служит центральным метаболическим путем в аэробных организмах. Он играет важную роль в производстве энергии и биосинтезе , генерируя переносчики электронов, такие как НАДН и ФАД. [14] Это осуществляется путем окисления ацетил-КоА, полученного из различных питательных веществ и сложных молекул углерода, до CO 2 и H 2 O. [4]

M. maripaludis , строго анаэробный мезофил , проходит неполный цикл восстановительной лимонной кислоты (RTA) для восстановления CO2 и H2O и синтеза сложных молекул углерода. [4] Отсутствие нескольких этапов и основных ферментов , включая фосфоенолпируваткарбоксикиназу , цитратсинтазу , аконитат и изоцитратдегидрогеназу , препятствует завершению этого цикла. [15] [4] Пируват , образующийся в результате гликолиза / глюконеогенеза , является начальным метаболитом у M. maripaludis для цикла трикарбоновых кислот .

Структура клетки

Неправильной формы, слабоподвижный кокк , Methanococcus maripaludis , имеет диаметр 0,9-1,3 мкм с одним электронно-плотным S-слоем, лишенным пептидогликана . Эти характеристики помогают идентифицировать его домен как архею . [4] Обычно встречающиеся у метаногенов , их клеточные стенки лишены муреина и связанных с эфиром мембранных липидов , среди других биохимических свойств. [16] S -слой состоит из гликопротеинов , которые охватывают всю клетку и помогают защитить клетку от прямого взаимодействия с окружающей средой. Более конкретно, S-слой обеспечивает архейным клеткам стабилизационный барьер, устойчивый к изменениям окружающей среды. [17] Кроме того, M. maripaludis состоит из двух поверхностных придатков, способствующих подвижности: жгутиков и пилей . [4]

Жгутики и пили

Электронная микрофотография, иллюстрирующая как жгутиковые клетки Mm900, так и нежгутиковые клетки ΔFlaG Methanococcus maripaludis. [18]

Архейные жгутики содержат отличительные прокариотические подвижные структуры, которые похожи на бактериальные пили IV типа (T4P) . Они построены из белков, несущих сигнальные пептиды класса III , которые расщепляются специфическими сигнальными пептидазами . Они также обладают гомологичными генами , которые кодируют АТФазу , и консервативными мембранными белками для сборки придатков . [17] Жгутик M. maripaludis состоит из трех гликопротеинов флагеллина , которые все модифицированы N-связанным тетрасахаридом . Это имеет решающее значение для постоянного прикрепления к поверхностям , контакта между клетками и передвижения . [17] Как жгутики, так и пили используются для прикрепления к поверхностям, что позволяет им оставаться в желаемых условиях. [17]

M. maripaludis охватывает полный набор генов fla с тремя отдельными генами флагеллина, flaB1, flaB2 и flaB3 , и оставшиеся восемь генов , включая flaC-flaJ . [18] Из локуса жгутиков , есть два основных белка флагеллина, необходимых для нитей жгутиков , flaB1 и flaB2. Экспорт флагеллина также требует двух специфических белков, включая flaH и flaI . Крюкообразный белок у M. maripaludis четко обозначен второстепенным белком флагеллина , flaB3 . [18] Жгутики у многочисленных архей подвергаются посттрансляционным модификациям , включая гликозилирование . Следовательно, эти жгутики демонстрируют более крупные белки, чем их ожидаемая последовательность генов . [18]

Подобно жгутикам, белки, участвующие в сборке пилей M. maripaludis, проявляют сходство с бактериальными пилями IV типа из-за наличия N-концевого сигнального пептида и ожидаемой N-концевой гидрофобной α-спирали . [19] [20] Два пилин-подобных гена , MMP0236 (epdB) и MMP0237 (epdC) , обладают коротким, нетипичным сигнальным пептидом, заканчивающимся консервативным глицином . Затем за ним следует гидрофобный сегмент, что приводит к отчетливой четвертичной структуре и образованию пилей . [20]

Генетика

Methanococcus maripaludis является одним из четырех гидрогенотрофных метаногенов , наряду с Methanocaldococcus jannaschii , Methanothermobacter thermautotrophicus и Methanopyrus kandleri , геном которых был секвенирован. [4] Из этих трех Methanocaldococcus jannaschii является ближайшим живым известным родственником M. maripaludis. M. maripaludis, как и многие другие археи, имеет одну единственную кольцевую хромосому. [4] Согласно количеству попаданий BlastP в последовательности генома или схожих последовательностей белков, идентифицированных с помощью инструмента поиска базового локального выравнивания (BLAST) , M. maripaludis похож на большинство других метаногенов. [4] Однако у M. maripaludis отсутствуют общие черты, такие как фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза . [4]

Двадцать один штамм M. maripaludis секвенировали свои геномы, и каждый геном включает в себя множество копий хромосомы в отдельной клетке, в диапазоне от 5 до 55. [21] Из его 1722 генов, кодирующих белки, 835 ORF, или открытых рамок считывания , имеют неизвестные функции, а 129 ORF являются уникальными для M. maripaludis. [4] Некоторые из этих генов были идентифицированы с помощью транспозонного мутагенеза in vivo , который может быть необходим для роста, составляя приблизительно 30% генома. [22] Секвенированный геном также выявил около 48 систем переноса белков, в основном доминируемых транспортерами ABC, за которыми следуют транспортеры железа. [5]

M. maripaludis был генетически изменен для получения неродных, желаемых продуктов, таких как гераниол и полигидроксибутират . [21] M. maripaludis можно использовать для секвенирования различных промоторов и сайтов связывания рибосом с использованием технологии CRISPR/Cas9 . [23] Крупные делеции в ДНК также можно осуществить с помощью системы CRISPR/Cas9, специально разработанной для штамма под названием S0001. [21]

Экологические роли

Метаногены играют важную роль в очистке сточных вод, конверсии углерода, производстве водорода и многих других экологических процессах. [4] Что касается очистки сточных вод, метаногены использовались для анаэробного разложения отходов в метан, используя симбиотические отношения с синтрофными бактериями. [4] M. maripaludis , в дополнение к другим метаногенам, имеет потенциал для получения топлива, такого как метан и метанол, из выбросов CO2 за счет собственного поглощения CO2 . [ 4] Выбросы CO2 в настоящее время являются одним из ведущих источников глобального потепления. Способность M. maripaludis поглощать CO2 из окружающей среды в присутствии N2 позволяет использовать потенциальный путь для преобразования выбросов CO2 в полезное топливо, такое как метан. [4] Он также способен улавливать и преобразовывать CO2 из выбросов электростанций и химических заводов. Несмотря на множество потенциальных применений, потребность в больших количествах водорода является проблемой при использовании любого метаногена для производства биометана . [4]

Ссылки

  1. ^ Франклин М. Дж., Вибе В. Дж., Уитман В. Б. (май 1988 г.). «Популяции метаногенных бактерий в солончаке Джорджии». Прикладная и экологическая микробиология . 54 (5): 1151–1157. Bibcode : 1988ApEnM..54.1151F. doi : 10.1128 / aem.54.5.1151-1157.1988. PMC  202619. PMID  16347628.
  2. ^ ab Jones WJ, Paynter MJ, Gupta R (1983-08-01). "Характеристика Methanococcus maripaludis sp. nov., нового метаногена, выделенного из осадка солончака". Архивы микробиологии . 135 (2): 91–97. Bibcode : 1983ArMic.135...91J. doi : 10.1007/BF00408015. ISSN  1432-072X.
  3. ^ Müller AL, Gu W, Patsalo V, Deutzmann JS, Williamson JR, Spormann AM (апрель 2021 г.). «Альтернативная стратегия распределения ресурсов в хемолитоавтотрофной архее Methanococcus maripaludis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 118 (16). Bibcode : 2021PNAS..11825854M. doi : 10.1073 /pnas.2025854118 . PMC 8072206. PMID  33879571. 
  4. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap Goyal N, Zhou Z, Karimi IA (июнь 2016 г.). "Метаболические процессы Methanococcus maripaludis и потенциальные применения". Microbial Cell Factorys . 15 (1): 107. doi : 10.1186/s12934-016-0500-0 . PMC 4902934. PMID  27286964 . 
  5. ^ ab Hendrickson EL, Kaul R, Zhou Y, Bovee D, Chapman P, Chung J, et al. (октябрь 2004 г.). «Полная последовательность генома генетически управляемого гидрогенотрофного метаногена Methanococcus maripaludis». Журнал бактериологии . 186 (20): 6956–6969. doi :10.1128/JB.186.20.6956-6969.2004. PMC 522202. PMID 15466049  . 
  6. ^ Liu Y, Whitman WB (март 2008 г.) [26 марта 2008 г.]. «Метаболическое, филогенетическое и экологическое разнообразие метаногенных архей». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1125 (1): 171–189. Bibcode : 2008NYASA1125..171L. doi : 10.1196/annals.1419.019. ISSN  0077-8923. PMID  18378594.
  7. ^ Эскаланте-Семерена Дж. К., Райнхарт К. Л., Вулф Р. С. (август 1984 г.). «Тетрагидрометаноптерин, переносчик углерода в метаногенезе». Журнал биологической химии . 259 (15): 9447–9455. doi : 10.1016/s0021-9258(17)42721-9 . PMID  6547718.
  8. ^ Lohner ST, Deutzmann JS, Logan BE, Leigh J, Spormann AM (август 2014 г.). «Независимое от гидрогеназы поглощение и метаболизм электронов археей Methanococcus maripaludis». Журнал ISME . 8 (8): 1673–1681. Bibcode : 2014ISMEJ...8.1673L. doi : 10.1038/ismej.2014.82. PMC 4817615. PMID  24844759. 
  9. ^ ab Thauer RK, Kaster AK, Seedorf H, Buckel W, Hedderich R (август 2008 г.). «Метаногенные археи: экологически значимые различия в сохранении энергии». Nature Reviews. Microbiology . 6 (8): 579–591. doi :10.1038/nrmicro1931. PMID  18587410. S2CID  32698014.
  10. ^ Mukhopadhyay B, Stoddard SF, Wolfe RS (февраль 1998 г.). «Очистка, регуляция и молекулярная и биохимическая характеристика пируваткарбоксилазы из штамма Methanobacterium thermoautotrophicum deltaH». Журнал биологической химии . 273 (9): 5155–5166. doi : 10.1074/jbc.273.9.5155 . PMID  9478969.
  11. ^ Kengen SW, Daas PJ, Duits EF, Keltjens JT, van der Drift C, Vogels GD (февраль 1992 г.). "Выделение фермента, содержащего 5-гидроксибензимидазолил кобамид, участвующего в реакции метилтетрагидрометаноптерина: кофермент M метилтрансферазы в Methanobacterium thermoautotrophicum". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 1118 (3): 249–260. doi :10.1016/0167-4838(92)90282-i. PMID  1737047.
  12. ^ Кастер АК, Молл Дж, Парей К, Тауер РК (февраль 2011 г.). «Связывание восстановления ферредоксина и гетеродисульфида посредством электронной бифуркации в гидрогенотрофных метаногенных археях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (7): 2981–2986. Bibcode : 2011PNAS..108.2981K. doi : 10.1073/pnas.1016761108 . PMC 3041090. PMID  21262829 . 
  13. ^ "Определение PERMEASE". www.merriam-webster.com . Получено 2024-03-17 .
  14. ^ Ladapo J, Whitman WB (август 1990 г.). «Метод изоляции ауксотрофов в метаногенных архебактериях: роль пути ацетил-КоА в автотрофной фиксации CO2 у Methanococcus maripaludis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (15): 5598–5602. Bibcode : 1990PNAS...87.5598L. doi : 10.1073/pnas.87.15.5598 . ISSN  0027-8424. PMC 54374. PMID 11607093  . 
  15. ^ Shieh JS, Whitman WB (ноябрь 1987 г.). «Путь ассимиляции ацетата у автотрофных и гетеротрофных метанококков». Журнал бактериологии . 169 (11): 5327–5329. doi :10.1128/jb.169.11.5327-5329.1987. ISSN  0021-9193. PMC 213948. PMID 3667534  . 
  16. ^ Джаррелл КФ, Коваль СФ (1989). «Ультраструктура и биохимия Methanococcus voltae». Критические обзоры по микробиологии . 17 (1): 53–87. doi :10.3109/10408418909105722. ISSN  1040-841X. PMID  2669831.
  17. ^ abcd Jarrell KF, Stark M, Nair DB, Chong JP (июнь 2011 г.). «Жгутики и пили необходимы для эффективного прикрепления Methanococcus maripaludis к поверхностям». FEMS Microbiology Letters . 319 (1): 44–50. doi : 10.1111/j.1574-6968.2011.02264.x . PMID  21410509. S2CID  36895781.
  18. ^ abcd Chaban B, Ng SY, Kanbe M, Saltzman I, Nimmo G, Aizawa SI и др. (ноябрь 2007 г.). «Систематический анализ делеций генов fla в опероне жгутиков выявил несколько генов, необходимых для правильной сборки и функционирования жгутиков у архея Methanococcus maripaludis». Молекулярная микробиология . 66 (3): 596–609. doi :10.1111/j.1365-2958.2007.05913.x. ISSN  0950-382X. PMID  17887963.
  19. ^ Szabó Z, Stahl AO, Albers SV, Kissinger JC, Driessen AJ, Pohlschröder M (февраль 2007 г.). «Идентификация разнообразных архейных белков с сигнальными пептидами класса III, расщепляемыми различными архейными препилинпептидазами». Journal of Bacteriology . 189 (3): 772–778. doi :10.1128/JB.01547-06. ISSN  0021-9193. PMC 1797317 . PMID  17114255. 
  20. ^ ab Wang YA, Yu X, Ng SY, Jarrell KF, Egelman EH (2008-08-29). «Структура архейного пиля». Журнал молекулярной биологии . 381 (2): 456–466. doi :10.1016/j.jmb.2008.06.017. ISSN  1089-8638. PMC 2570433. PMID 18602118  . 
  21. ^ abc Li J, Akinyemi TS, Shao N, Chen C, Dong X, Liu Y и др. (2023). "Генетическая и метаболическая инженерия Methanococcus spp". Current Research in Biotechnology . 5 : 100115. doi : 10.1016/j.crbiot.2022.11.002 . ISSN  2590-2628.
  22. ^ Sarmiento F, Mrázek J, Whitman WB (2013-03-19). «Геномный анализ функции гена в гидрогенотрофной метаногенной архее Methanococcus maripaludis». Труды Национальной академии наук . 110 (12): 4726–4731. Bibcode : 2013PNAS..110.4726S. doi : 10.1073/pnas.1220225110 . ISSN  0027-8424. PMC 3607031. PMID  23487778 . 
  23. ^ Xu Q, Du Q, Gao J, Chen L, Dong X, Li J (2023-07-24). «Надежный генетический инструментарий для тонкой настройки экспрессии генов в фиксирующей CO2 метаногенной архее Methanococcus maripaludis». Metabolic Engineering . 79 : 130–145. doi : 10.1016/j.ymben.2023.07.007 . ISSN  1096-7176. PMID  37495072.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки