Coltivazione di batteri marini del clade SAR202

Nature Communications volume 14, numero articolo: 5098 (2023) Citare questo articolo

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I batteri del clade SAR202, all'interno del phylum Chloroflexota, sono distribuiti ubiquitariamente nell'oceano ma non sono ancora stati coltivati ​​in laboratorio. È stato proposto che antiche espansioni di paraloghi di enzimi catabolici ampliassero lo spettro di composti organici che i batteri SAR202 potevano ossidare, portando a trasformazioni del ciclo del carbonio terrestre. Qui riportiamo la coltivazione di successo dei batteri SAR202 dall'acqua di mare superficiale utilizzando la coltura di diluizione fino all'estinzione. La crescita di questi ceppi è molto lenta (0,18–0,24 giorno−1) ed è inibita dall'esposizione alla luce. I genomi, di ca. 3,08 Mbp, codificano archaella (strutture di motilità archaea) e più set di paraloghi enzimatici, inclusi 80 geni che codificano per gli enzimi della superfamiglia enolasi e 44 geni che codificano per deidrogenasi NAD (P)-dipendenti. Proponiamo che questi paraloghi enzimatici partecipino a molteplici percorsi paralleli per il catabolismo non fosforilativo degli zuccheri e degli acidi zuccherini. Infatti, dimostriamo che i ceppi SAR202 possono utilizzare diversi substrati che vengono metabolizzati attraverso i percorsi previsti, come gli zuccheri ʟ-fucosio e ʟ-ramnosio, nonché le loro forme lattone e acide.

Il clade SAR202 nel phylum Chloroflexota è distribuito ubiquitariamente nell'oceano e rappresenta il 10–30% dei procarioti planctonici nelle profondità marine1,2,3,4,5,6,7. Varie proprietà associate all'organoeterotrofia e al metabolismo dello zolfo e dell'azoto sono state interpretate dagli assemblaggi del metagenoma SAR202 e dalle sequenze del genoma di una singola cellula6,8,9,10,11,12. I sette gruppi (sottocladi) di SAR202 sono individualmente distinti nel numero e nel tipo di paraloghi che contengono8,12, suggerendo una relazione tra l'evoluzione del paralogo e la specializzazione di nicchia delle sottocladi.

Si propone che i geni paraloghi della monoossigenasi flavina-dipendenti nel gruppo III SAR202, in alcuni casi superiori a 100 per genoma, si siano evoluti per raccogliere carbonio ed energia da diverse molecole organiche accumulate negli oceani durante l'espansione del ciclo del carbonio terrestre, in seguito all'aumento della fototrofia ossigenata8,12,13. Allo stesso modo, nel gruppo I SAR202, si propone che grandi espansioni di paraloghi nella superfamiglia delle proteine ​​enolasi si siano evolute per consentire a queste cellule di metabolizzare composti che resistono all'ossidazione biologica a causa della loro complessità chirale. La prima ramificazione di questi paraloghi negli alberi filogenetici indica che l'evoluzione delle cellule SAR202 è stata un crogiolo per la loro diversificazione8,12,13.

Le cellule SAR202 si trovano in tutte le colonne d'acqua dell'oceano, raggiungendo i numeri più alti vicino alla superficie dell'oceano, ma contribuiscono con una percentuale più elevata di tutte le cellule di plancton nelle cellule meso-, bati-, adal- e abissopelagiche5,10,12. I SAR202 dei gruppi I e II hanno geni della rodopsina nei loro genomi e sono i SAR202 più abbondanti negli ambienti epipelagici, mentre il gruppo III, privo di geni della rodopsina, è in gran parte responsabile dell'elevata abbondanza relativa di SAR202 nell'oceano oscuro.

La coltivazione di tipi cellulari non rappresentati è una priorità per i microbiologi perché le cellule spesso presentano proprietà che non possono essere facilmente previste dai loro genomi14. Uno studio recente ha dimostrato che l'inferenza basata sul genoma non riesce a prevedere in modo affidabile le vie cataboliche per oltre il 50% delle fonti di carbonio utilizzate da diversi procarioti che dispongono di dati fenotipici ben curati15. Nonostante il recente aumento di interesse e i progressi tecnologici nella coltivazione, un’elevata percentuale di gruppi procarioti rimane incolta16. Il clade SAR202 non ha ancora isolati coltivati, il che lo rende uno dei “più ricercati” nella cultura e un “bersaglio chiave per la coltivazione”14,17.

Qui riportiamo la coltivazione di successo dei batteri SAR202. Ventiquattro isolati della sotto clade I sono stati recuperati da campioni di acqua di mare superficiale mediante diluizione fino all'estinzione in mezzi sterili di acqua di mare. Ricostruzione metabolica supportata da dati sperimentali con cellule coinvolte nei paraloghi dell'enolasi e deidrogenasi nell'ossidazione degli zuccheri non fosforilanti. Proponiamo che molteplici vie metaboliche parallele di questo tipo consentano a queste cellule di raccogliere miscele complesse di composti legati allo zucchero da pool di carbonio organico disciolto. SAR202, che si trova in tutta la colonna d'acqua degli oceani moderni, si è evoluto contemporaneamente all'aumento della fototrofia ossigenata13. Proponiamo che si siano espansi nella nicchia della raccolta di molecole diluite e diverse legate ai carboidrati man mano che gli oceani vengono ossidati.