호열성 화학석독립영양 박테리아 컨소시엄은 극한의 빈영양 환경에서 박테리아 간의 상호 관계를 제안합니다

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 230(2023) 이 기사 인용

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영양이 부족한 배지와 N2, O2, CO2 및 CO를 포함하는 대기에서 자라는 호열성, 화학석가영양성 및 호기성 미생물 컨소시엄(carbonitroflex라고 함)은 극단적인 생물학적 시스템에 대한 이해를 확장하기 위한 모델로 조사되었습니다. 여기서 우리는 컨소시엄이 Carbonactinospora thermoautotrophica(StC 계통)에 의해 지배되고 Sphaerobacter thermophilus, Chelatococcus spp. 및 Geobacillus spp가 뒤따른다는 것을 보여줍니다. 컨소시엄의 Metagenomic 분석은 C. thermoautotrophica StC가 일산화탄소 영양 및 이산화탄소 저장 능력을 나타내는 박테리아 간의 상호 관계를 보여줍니다. C. thermoautotrophica StC, Chelatococcus spp. 및 S. thermophilus에는 CO 탈수소효소 및 포름산염 산화효소를 암호화하는 유전자가 있습니다. 원래의 성장 조건에서는 순수한 배양물이 얻어지지 않았는데, 이는 이 극도의 빈영양 시스템에서 그룹 생존과 성장을 위해 엄격하게 조절된 상호작용 대사가 필요할 수 있음을 나타냅니다. 생계를 유지하는 가설은 대사 플럭스 모델을 설명하고 모든 컨소시엄 구성원의 생존에서 C. thermoautotrophica StC(유일한 핵심 종 및 주요 탄소 생산자)의 중요한 역할을 강조하기 위해 제안되었습니다. 우리의 데이터는 극한 환경에서의 복잡한 상호 작용을 조사하는 데 기여하여 미생물 군집 내의 상호 연결과 의존성을 예시할 수 있습니다.

모든 생지화학적 순환에는 미생물 생합성이 포함되며, 미생물은 필수적인 사회적 목표인 이산화탄소 격리 및 질소 고정1,2,3을 실질적으로 촉진할 수 있습니다. 그러나 복잡한 미생물군집, 복잡한 상호작용 및 기능을 포함하는 바이오매스 형성과 관련된 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았습니다. 이러한 메커니즘을 이해하는 것은 여전히 큰 과제입니다5,6,7.

과영양 생태계 기반 미생물 컨소시엄은 복잡한 생명공학 과정을 조사하기 위한 모델 역할을 하여 생물학적 시스템에 대한 이해를 넓힐 수 있습니다. 미생물은 제한된 영양 가용성 및/또는 스트레스8와 같은 다양한 조건에 대처하기 위해 서로 협력합니다. 그러나 극한 환경 조건은 미생물 집단에서 매우 상호 의존적인 상호 작용을 초래할 수 있습니다. 이러한 시스템에서 생명의 근간을 이루는 주요 생지화학적 과정도 구획화될 수 있습니다. 이러한 상호의존성과 미생물 군집 상호작용9을 주도하는 상호작용 모드에 대한 더 나은 이해는 새로운 경로 또는 유전자10의 발견으로 이어질 수 있습니다. 이러한 이해는 결국 생체분자, 바이오연료 및 탄소 격리를 생산하기 위한 미생물 집단의 최적화 및 엔지니어링과 미생물 생태학 원리의 사용을 통해 새로운 생명공학 응용11,12으로 이어질 수 있습니다. 이러한 발전은 기후 변화 및 인구 증가와 같은 중요한 문제를 완화하는 데 기여할 수 있습니다11,16,17.

일산화탄소영양생물과 같은 극한생물은 극한 조건에서 발생할 수 있는 동적 변화에 적응하기 위해 빠르게 진화할 수 있으며, 이를 통해 새로운 생물산물의 좋은 공급원이 됩니다. 극한 조건에서 발전하는 빈영양 컨소시엄에 대한 연구는 지구 또는 태양계의 다른 행성/달의 (초기) 생명체의 유기 화학을 밝히는 데 이상적입니다19,20.

이 연구에서는 호열성 및 빈영양성 박테리아 컨소시엄이 토양에서 성공적으로 농축되었습니다. 우리는 박테리아 성장의 미생물 구성을 조사하여 극단적인 선택 조건이 농축된 박테리아 컨소시엄을 형성했는지 여부를 결정하고 가혹한 조건에 적응하기 위해 컨소시엄 구성원 간의 협력을 설명했습니다. Carbonitroflex(CNF)라고 불리는 컨소시엄은 10년 간 반복된 잔디 연소(화재로 인한 고온 및 CO2에 장기간 노출) 이력이 있는 토양 샘플을 통해 농축되었습니다.

3 years. The cell agglomerates (floating white pellicles) were consistently observed after 3–21 days in all replicates for >3 years, with electron microscopy. Filamentous bacteria containing intracellular spores were observed in association with a smaller number of single-celled cocci and bacilli. These microbes appeared to be closely attached to each other (Fig. 1d), with bacilliform bacteria being attached beneath the filamentous cells. Several spore-like structures directly bound to the bacterial cell filaments were also observed (Fig. 1e). Images obtained using SEM revealed the presence of a cell lining, which was possibly a bridge of unknown material linking the cells (Fig. 1f). Remarkably, highly symmetrical bacterial microcompartments (BMCs)/carboxysome-like structures in the cellular cytoplasm were also noted (Fig. 2). Interestingly, regularly shaped clusters were noted in the cellular cytoplasm. These diamond-shaped clusters appeared in several images and in different sizes (probably due to the block cutting at different heights). Genomic data indicated (see below) that these might be carboxysome-like structures, which are bacterial microcompartments that concentrate carbon-fixing enzymes and play an essential role in the carbon fixation process21./p>99.5% of the 1,032,456 metagenomic reads obtained from CNF were taxonomically assigned. The results indicated that the consortium comprised 4 bacterial species (Fig. 3). There was no evidence of the presence of other prokaryotes or fungi. The most abundant reads (approximately 80%) observed in the consortium metagenome belonged to an Actinobacterium that was identified as closely related to Carbonactinospora thermoautotrophica22, followed by a Chloroflexum related to Sphaerobacter spp. (9% of reads), a Proteobacterium (8% of reads) related to Chelatococcus spp., and a Firmicute (2% of reads) related to Geobacillus spp. (Fig. 3a). The phylogeny of the Barrnap-extracted gene rrs is shown in Fig. 3b. Notably, two different contigs aligned with C. thermoautotrophica sequences, indicating that this strain (C. thermoautotrophica St_consortium [StC]) harbored two taxonomically independent rrs genes (StCopy1 and StCopy2). A high degree of difference (>6%) was observed between the rrs genes of C. thermoautotrophica StC./p> 95% completeness. A cutoff of 1% was used, thereby indicating that any read belonging to any other species was <1% of the total reads. This finding was supported by plating, where no growth was observed. Using BRIG and DNAPlotter software and BLASTN program, the contigs belonging to each consortium member were represented in a circular form and mapped to the reference WGS (UBT1 and H1 for C. thermoautotrophica, DSM207045 for Sphaerobacter spp., DSM18167 for Chelatococcus spp., and DSM13240 for Geobacillus spp.) (Fig. 4a–c). Metagenomic reads were also mapped (Fig. 3d) for the previously isolated and sequenced Geobacillus sp. LEMMY01 genome23 (Fig. 4d)./p>

3 years) indicated that the organisms are either complementing each other’s metabolism or are benefiting from the secondary metabolites from different players./p>6%) between rrs copies in C. thermoautotrophica StC has also been reported in other Actinobacteria, and supports our taxonomic identification because this is a common characteristic of C. thermoautotrophica22,24./p>15 years (Supplementary Fig. 1A, B). The soil samples were immediately transported to the Molecular Microbial Ecology Laboratory (LEMM), Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brazil. A control soil sample was collected from a nearby site with no history of burning. The physical and chemical properties of all soil samples were determined in triplicate, using standard laboratory protocols41,42./p> 1 month of incubation; moreover, we were unable to revive glycerol stocks after freezing at temperatures of −80 °C and −20 °C. The cell cultures in the N-FIX medium were maintained in an oven at 55 °C and reinoculated with fresh medium every 2 weeks. Of the original soil samples, microbial growth was observed in only three flasks containing the mineral soil medium for autotrophs43 and in only one flask containing the N-FIX medium. The cultures showing growth were then individually replicated in several flasks, and at least three replicates were kept alive for the duration of the experiment. The control soil samples showed no microbial growth during the same incubation period. For subsequent analyses, the replicates were combined to improve biomass recovery./p>

1200 bp derived from culturable microorganisms). The five most similar matches were selected for each contig and gene and aligned using the MUltiple Sequence Comparison by Log-Expectation software (version 3.8.31). Phylogenic reconstruction was performed with MEGA-756, using the maximum likelihood method and the Tamura–Nei distance model57 with 1000 bootstrap replications./p>