Блог

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.