Экспрессия дивергентных метил/алкилкофермент М-редуктаз из некультивируемых архей

Блог

ДомДом / Блог / Экспрессия дивергентных метил/алкилкофермент М-редуктаз из некультивируемых архей

May 28, 2023

Экспрессия дивергентных метил/алкилкофермент М-редуктаз из некультивируемых архей

Том коммуникативной биологии

Биология связи, том 5, Номер статьи: 1113 (2022) Цитировать эту статью

2195 Доступов

3 цитаты

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Метаногены и анаэробные метанокисляющие археи (ANME) являются важными игроками в глобальном углеродном цикле. Метилкофермент М-редуктаза (MCR) является ключевым ферментом метаболизма метана, катализирующим последний этап метаногенеза и первый этап анаэробного окисления метана. Дивергентные гены mcr и mcr-подобные гены недавно были идентифицированы в некультивируемых линиях архей. Однако сборка и биохимия MCR некультивируемых архей остаются в значительной степени неизвестными. Здесь мы представляем подход к изучению MCR из некультивируемых архей путем гетерологичной экспрессии в метаногене Methanococcus maripaludis. Промотор, структура оперона и температура были важными факторами, определяющими продукцию MCR. И рекомбинантный метанококковый MCR, и MCR ANME-2 собирались с MCR-хозяином, образуя гибридные комплексы, тогда как тестируемые MCR ANME-1 и этил-коэнзим М-редуктаза образовывали только гомогенные комплексы. Вместе со структурным моделированием это предполагает, что ANME-2 и MCR метаногена структурно схожи, и направления их реакций, вероятно, регулируются термодинамикой, а не внутренними структурными различиями.

Метаногены или метаногенные археи считаются одной из самых ранних микробных форм жизни на Земле1,2 — и вместе с анаэробными метанокисляющими архей (ANME) они играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле. Сегодня метаногены производят около одного миллиарда тонн метана ежегодно в бескислородных средах с использованием различных субстратов, включая H2/CO2, формиат, ацетат и C1-метилированные соединения3, а также недавно обнаруженные компоненты угля4,5 и длинноцепочечные алканы6. По оценкам, в бескислородных морских отложениях ~90% биогенного метана окисляется ANME до CO2 по обратному пути метаногенеза7, что снижает выбросы метана в атмосферу.

Все ANME и многие метаногены остаются некультивируемыми как одновидовые культуры. Основываясь на метагеномах окружающей среды и накопительных культурах, ANME биохимически и генетически тесно связаны с метаногенами, обладая схожим набором ферментов для анаэробного окисления метана (АОМ) в направлении, противоположном образованию метана8,9,10,11. ANME использует метан в качестве источника углерода и энергии и переносит электроны от метана к синтрофным сульфатредуцирующим бактериям-партнерам9,12,13 или неорганическим акцепторам электронов, таким как нитрат14, Fe(III)15,16,17 и Mn(IV)15. . Известные ANME не составляют единой таксономической группы и относятся к порядкам «Ca. Methanophagales» (ANME-1) и Methanosarcinales (ANME-2 и ANME-3)10. Отряд Methanosarcinales также содержит метаногены. Физиологические и биохимические детали ANME остаются в значительной степени неизвестными из-за отсутствия чистых культур и медленного роста обогащения8,18.

Метилкофермент М (СоМ) редуктаза (MCR) является ключевым ферментом анаэробного метаболизма метана19. Он катализирует последнюю реакцию образования CH4 в метаногенезе и первую реакцию активации CH4 в АОМ. Обратимость реакции MCR (реакция 1) была продемонстрирована экспериментально на Methanothermobacter marburgensis MCR20. Недавно было предложено, чтобы родственная алкилкофермент М-редуктаза (ACR) катализировала окисление алканов с короткой цепью (например, этана, пропана и бутана) анаэробными архей, окисляющими алканы (ANKA)21,22,23,24.

Комплекс MCR состоит из димера гетеротримеров (αβγ)2 с молекулой Ni-содержащего тетрапиррольного кофермента F430 в каждом из двух активных центров25. Каждый F430 глубоко похоронен внутри белкового комплекса и доступен только снаружи через канал длиной 50 Å, образованный из множества субъединиц McrA, A', B и G или McrA', A, B' и G'26,27. Степень окисления Ni(I) F430 необходима для активности. Пара Ni(II)/Ni(I) имеет чрезвычайно отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (Eo') ниже –600 мВ28, и поэтому MCR очень чувствительна к кислороду и требует сложной ферментной системы для АТФ-зависимой восстановительной активации29. Множественные уникальные посттрансляционные модификации (PTM) присутствуют в субъединице McrA и регулируют стабильность и активность MCR30,31,32. Хотя кристаллические структуры ANME-1 MCR33 и этилкофермента M-редуктазы (ECR)34 были решены, сборка и биохимические свойства ферментов ANME и ANKA остаются плохо изученными. Гетерологичная экспрессия генов, кодирующих MCR ANME-1, у Methanosarcina acetivorans стимулировала окисление метана рекомбинантным организмом, предоставляя дополнительные доказательства роли этих ферментов35. Недавно MCR Methanothermococcus okinawensis был гетерологично экспрессирован в модельном метаногене Methanococcus maripaludis36. Здесь мы дополнительно разработали гетерологичную экспрессию MCR у M. maripaludis, что открывает путь для изучения ферментных комплексов из некультивируемых архей.

80% and contamination <10%. A total of 307 genomes contained all three of the genes (mcrA, mcrB, and mcrG) necessary to encode the MCR subunits (Supplementary Data 1). In the rank-normalized phylogenetic tree based upon all 1070 genomes37, these mcr-containing archaea included methanogens, ANME-1, ANME-2, ANKA, and other archaea of unknown metabolic types and were interspersed with lineages that do not share these genes (Fig. 1). The widespread distribution of mcr genes in archaea supports the hypothesis that methane metabolism is an ancient trait likely present in the archaeal root38,39,40./p>80% and contamination <10% were selected for this study. The mcr genes were searched using tblastn with Methanococcus maripaludis strain S2 and Methanosarcina acetivorans strain C2A MCRs as the query sequences. The identified subject sequences were excluded if their Expect (E) values were larger than 1e-5. Operon structures were recognized if the identified mcr genes were located on the same contig and strand and the distance between two adjacent genes was smaller than 250 bp./p>