깊은 곳의 식별

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4354(2023) 이 기사 인용

1611 액세스

22 알트메트릭

측정항목 세부정보

초기 박테리아, 심지어 모든 세포의 마지막 보편적 공통 조상도 호열성이었다고 제안되어 왔습니다. 그러나 호열성 미생물의 기원과 진화에 대한 연구는 순수 배양물에서 깊은 분지형 호열성 미생물을 분리하는 것과 관련된 어려움으로 인해 방해를 받고 있습니다. 여기에서는 희귀 유기체를 분리하기 위해 고안된 2단계 재배 전략("감산-차선", StS)을 사용하여 심해 열수 분출구에서 깊은 가지를 가진 호열성 박테리아를 분리합니다. 우리가 Zhurongbacter thermophilus 3DAC라고 명명한 이 박테리아는 Coprothermobacterota 및 기타 호열성 박테리아 그룹과 계통발생적으로 관련되어 있는 황 감소 종속영양생물로, 주요 초기 분기 박테리아 계통을 나타내는 것으로 보이는 계통군을 형성합니다. 이 계통군의 조상은 호열성, 엄격한 혐기성, 운동성, 수소 의존성 및 혼합영양성 박테리아일 수 있습니다. 따라서 우리의 연구는 호열성 박테리아의 초기 진화에 대한 통찰력을 제공합니다.

최적 성장 온도가 45°C보다 높은 유기체는 호열성 생물로 지정됩니다1,2. 이러한 호열체는 육지 화산 유적지, 온천, 해저 열수 시스템, 심해저, 석유 저장소, 태양열로 가열되는 표면 토양 및 산업용 인큐베이터3,4,5,6,7와 같은 자연 또는 인공 고온 환경에 편재적으로 분포되어 있습니다. 8. 일부 호열성 생물은 알칼리성, 산성 또는 고염분 조건에서도 살 수 있으며, 이는 여러 스트레스 요인을 견딜 수 있는 능력을 강조합니다9,10. 이러한 소위 "극한 환경"은 일반적으로 하데스 후기 또는 고대 고고학 시대 초기에 생명체가 유래했을 때 초기 지구에 존재했던 조건과 유사한 것으로 간주되며, 여러 실험 연구13,14 및 지질학적 증거15가 호열성 생물의 초기 기원을 뒷받침했습니다.

호열성 박테리아는 광범위한 박테리아 문에서 발견될 수 있지만 Aquiificota, Dictyoglomota, Coprothermobacterota, Thermotogota 및 Thermodesulfobiota와 같은 소수의 문만이 거의 독점적으로 호열성 박테리아를 포함합니다. 호열성(thermophilic)은 박테리아 또는 생명의 조상 특징을 나타낼 수 있다고 제안되었지만16,17,18,19,20 다른 가설에서는 박테리아의 비호열성 기원을 제시하고 Chloroflexota 또는 Candidate Phyla Radiation과 같은 박테리아 계통을 배치했습니다. (CPR) 박테리아 계통수21,22,23의 뿌리 근처에 있습니다. 그룹 외 유전자 나무 종 나무 조정 접근 방식을 사용한 최근 연구에서는 Fusobacteriota 계통의 계통발생적 위치에 대한 불확실성에도 불구하고 이전에 예측된 박테리아 뿌리를 거부하고 두 개의 주요 박테리아 가지, 즉 Gracilicutes와 Terrabacteria 사이에 새로운 강력한 뿌리를 배치했습니다. . 그럼에도 불구하고 호열성 박테리아가 언제 시작되었고 그들의 대사가 어떻게 진화했는지는 여전히 불분명합니다.

마지막 박테리아 공통 조상(LBCA) 또는 초기 발산 박테리아 계통의 예측된 대사 잠재력은 초기 지구 환경과 초기 생태계에 대해 밝혀줄 수 있습니다20,25,26,27,28. 호열성 박테리아의 경우 Thermotogota29, Aquiificota30 및 Coprothermobacterota31과 같은 다양한 계통에 초점을 맞춘 여러 이전 연구에서 다른 원핵생물에서 수평으로 전달된 유전자의 비율이 높은 복잡한 진화 역사를 밝혔습니다. 그러나 주요 호열성 박테리아 계통군에 대한 포괄적인 비교 게놈 분석을 기반으로 한 진화적 연구가 여전히 부족합니다. 무배양 메타유전체 분석이 박테리아 다양성에 대한 지식을 크게 확장했음에도 불구하고 호열성 박테리아에 대한 연구에서는 호열성 특징을 확인하기 위한 최적의 성장 온도와 같은 생리학의 직접적인 증거를 제공하기 위해 여전히 분리된 균주가 필요합니다. 그러나 특히 깊은 분지 계통의 경우 순수하게 배양된 새로운 호열성 박테리아를 얻는 것은 극히 어렵습니다.

1, P value < 0.05] (Supplementary Data 1). This figure was created using BioRender (https://biorender.com/). b Growth capabilities on varied carbon sources of strain 3DAC. Computational predictions were simulated by the genome-scale metabolic model of 3DAC (Supplementary Data 1). “20aa”: all 20 amino acids supplemented as the sole carbon source. “20aa-X”: removal of individual amino acids X. “20aa+Y”: extra carbon source Y supplied with 20 amino acids. “+”: similar growth yields compared with the 20aa condition; “++”: at least 1.5-fold higher growth yields than 20aa; “-”: no growth. c Sulfide concentration and OD600 during the growth of strain 3DAC. S: medium with elemental sulfur; NS: no elemental sulfur. Error bars represent the standard deviations (SDs) from independent biological triplicates (n = 3) during the experiments under 0.1 MPa. Data are presented as average values ± SD. d Experimental and computational growth yields of the 3DAC strain by utilizing various sulfur species. In the experimental group, error bars represent the standard deviations (SDs) from independent biological duplicates (n = 2) during the experiments under 0.1 MPa. Data are presented as average values ± SD. e Simulations of wild-type 3DAC (WT), single deletions (-MBS, -Nfn2, -SH1), double deletions (-MBS-Nfn2, -MBS-SH1 and -Nfn2-SH1) and triple deletions (-MBS-Nfn2-SH1) of archaea-derived complexes in energetic processes at 3DAC. Source data are provided as a Source Data file./p>60%) as genes reported in hyperthermophilic archaea Thermococcales42,43./p>95% coverage) from Coprothermobacterota and compared the sequence identities with those of the 3DAC clade. The 16S rRNA gene sequence identities ranged from 75.73 to 83.00% (Supplementary Data 5). Since strain 3DAC was isolated from a high-temperature hydrothermal vent environment, we propose 3DAC as Zhurongbacter thermophilus 3DAC, named after Zhurong, the fire god in Chinese myth. For higher taxonomic classification, based on the suggested AAI ranges for the whole-genome51 and median 16S rRNA gene sequence52 identities to distinguish a new phylum, it is likely that this lineage represents a previously unknown thermophilic bacterial phylum. However, the relative evolutionary divergence (RED) score of strain 3DAC indicates that 3DAC might belong to a class-level lineage within the phylum Coprothermobacterota based on GTDB taxonomy53. There is a discordance between traditional classification and GTDB, hence, here we only temporally call the clade represented by 3DAC as a deep-branching lineage Zhurongbacterota until more 3DAC-related species are discovered for more accurate taxonomic assessment, as well as the prokaryotic taxonomic definition of phylum reach a consensus within the scientific community./p>0.3, Supplementary Data 2). Nevertheless, the amino acid biosynthesis pathways are not complete, possibly due to the limitation of ancestral prediction. A genome-scale metabolic model of the CCTB ancestor was further constructed and suggests it is a motile mixotrophic bacterium with carbon dioxide, saccharides and proteins as substrates (Supplementary Data 2). This predicted ancestral metabolism of the CCTB ancestor also shares many similarities with the recently inferred metabolic capacities of the last universal common ancestor (LUCA) and LBCA20,24,75. The CCTB ancestor, LUCA and LBCA are considered strictly anaerobic microorganisms. Both the CCTB ancestor and LUCA are predicted to be thermophilic and share the potential for metabolizing hydrogen, while LBCA and the CCTB ancestor share the predictions for motility and the potential for degrading organic carbon compounds./p>

소식