SAR202 계통의 해양 박테리아 배양

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5098(2023) 이 기사 인용

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Chloroflexota문에 속하는 SAR202 계통의 박테리아는 바다 어디에나 분포되어 있지만 아직 실험실에서는 배양되지 않았습니다. 고대 이화효소 파라로그의 확장은 SAR202 박테리아가 산화할 수 있는 유기 화합물의 스펙트럼을 넓혀 지구의 탄소 순환을 변화시켰다고 제안되었습니다. 여기에서는 희석-멸종 배양을 사용하여 표층 해수에서 SAR202 박테리아를 성공적으로 배양한 사례를 보고합니다. 이들 균주의 성장은 매우 느리며(0.18–0.24 day-1) 빛에 노출되면 억제됩니다. ca. 3.08 Mbp는 에놀라제 슈퍼패밀리 효소를 코딩하는 유전자 80개와 NAD(P) 의존성 탈수소효소를 코딩하는 유전자 44개를 포함하여 고세균(고세균 운동성 구조) 및 여러 세트의 효소 파라로그를 코딩합니다. 우리는 이러한 효소 파라로그가 당과 당산의 비인산화 이화작용을 위한 다중 병렬 경로에 참여한다고 제안합니다. 실제로, 우리는 SAR202 균주가 당 ج-fucose 및 ∅-rhamnose뿐만 아니라 락톤 및 산 형태와 같은 예측 경로를 통해 대사되는 여러 기질을 활용할 수 있음을 입증합니다.

Chloroflexota 문에 있는 SAR202 계통군은 바다 어디에나 분포되어 있으며 심해 플랑크톤 원핵생물의 10~30%를 차지합니다1,2,3,4,5,6,7. 유기종속영양과 황 및 질소 대사와 관련된 다양한 특성이 SAR202 메타게놈 어셈블리 및 단일 세포 게놈 서열6,8,9,10,11,12에서 해석되었습니다. SAR202의 7개 그룹(서브클레이드)은 포함된 파라로그의 수와 유형이 개별적으로 구별되며8,12, 이는 파라로그 진화와 서브클레이드의 틈새 전문화 사이의 관계를 암시합니다.

그룹 III SAR202의 파라로그 플라빈 의존성 모노옥시게나제 유전자는 일부 경우 게놈당 100개를 초과하며 지구의 탄소 순환이 확장되는 동안 해양에 축적된 다양한 유기 분자로부터 탄소와 에너지를 수확하도록 진화한 것으로 제안됩니다. 산소 광 영양8,12,13. 유사하게, 그룹 I SAR202에서는 에놀라제 단백질 슈퍼패밀리의 파라로그가 크게 확장되어 이들 세포가 키랄 복잡성으로 인해 생물학적 산화에 저항하는 화합물을 대사할 수 있도록 진화했다고 제안되었습니다. 계통발생수에서 이러한 파라로그의 초기 분기는 SAR202 세포 진화가 다양화의 도가니임을 나타냅니다.

SAR202 세포는 해수기둥 전체에서 발견되어 해수 표면 근처에서 가장 높은 수에 도달하지만 중층, 수심, 해달 및 심해층5,10,12에서 모든 플랑크톤 세포의 더 높은 비율에 기여합니다. 그룹 I과 II SAR202는 게놈에 로돕신 유전자를 갖고 있으며 표피성 환경에서 가장 풍부한 SAR202인 반면, 로돕신 유전자가 없는 그룹 III은 어두운 바다에서 SAR202의 상대적인 풍부함을 크게 담당합니다.

세포는 게놈에서 쉽게 예측할 수 없는 특성을 자주 나타내기 때문에 대표되지 않은 세포 유형의 배양은 미생물학자의 우선순위입니다. 최근 연구에 따르면 게놈 기반 추론은 잘 정리된 표현형 데이터를 보유한 다양한 원핵생물이 활용하는 탄소원의 50% 이상에 대한 이화 경로를 안정적으로 예측하지 못하는 것으로 나타났습니다. 최근 재배에 대한 관심의 급증과 기술 발전에도 불구하고 원핵생물 그룹의 높은 비율은 배양되지 않은 상태로 남아 있습니다16. SAR202 계통군에는 아직 배양된 분리균이 없으므로 배양에서 "가장 원하는" 것 중 하나이자 핵심 "재배 대상"입니다14,17.

여기서 우리는 SAR202 박테리아의 성공적인 배양을 보고합니다. 24개의 하위클레이드 I 분리물은 멸균 해수 매체에서 희석-멸종을 통해 표면 해수 샘플에서 검색되었습니다. 비인산화성 당 산화에 에놀라제 및 탈수소효소 파라로그가 관련되어 있는 세포를 사용한 실험 데이터에 의해 뒷받침되는 대사 재구성. 우리는 이러한 유형의 다중 병렬 대사 경로를 통해 이러한 세포가 용해된 유기 탄소 풀에서 설탕 관련 화합물의 복잡한 혼합물을 수확할 수 있다고 제안합니다. 현대 해양의 물기둥 전체에서 발견되는 SAR202는 산소 광영양의 증가와 동시에 진화했습니다13. 우리는 해양이 산화됨에 따라 희석되고 다양한 탄수화물 관련 분자를 수확하는 틈새 시장으로 확장할 것을 제안합니다.