Анализ генома и реконструкция метаболических путей деградации аминокислот и бетаина у галоалкалофильной бактерии Anoxynatronum sibiricum

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведен анализ генома галоалкалофильного анаэробного микроорганизма Anoxynatronum sibiricum Z-7981T, выделенного ранее из содового озера Нижнее Белое (Республика Бурятия, Россия). Выявлена способность организма к использованию бетаина в качестве акцептора электронов в реакции Стикленда. Внесение бетаина в среду не только оказывало стимулирующее действие на рост на аминокислотах, использующихся A. sibiricum индивидуально, но и позволило выявить дополнительные аминокислоты, рост на которых не был возможен без акцептора. На основании геномных характеристик и экспериментальных ростовых данных предложены метаболические схемы разложения аминокислот в присутствии и в отсутствие бетаина. Схемы для треонина, глутамата и лизина при их совместном использовании с бетаином составлены впервые. Для всех используемых аминокислот определены качественный и количественный состав продуктов обмена и получены стехиометрические соотношения субстрат/продукт. Составлены балансовые уравнения для выявленных вариантов реакции Стикленда, включая ранее не описанные в литературе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Н. Деткова

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН

Email: kevbrin@inmi.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, Москва, 119071

Ю. В. Болтянская

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН

Email: kevbrin@inmi.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, Москва, 119071

Н. В. Пименов

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН

Email: kevbrin@inmi.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, Москва, 119071

А. В. Марданов

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН

Email: kevbrin@inmi.ru

Институт биоинженерии им. К.Г. Скрябина

Россия, Москва, 119071

В. В. Кевбрин

ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kevbrin@inmi.ru

Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского

Россия, Москва, 119071

Список литературы

  1. Деткова Е. Н., Болтянская Ю. В., Кевбрин В. В. Деградация глицинбетаина в реакции Стикленда галоалкалофильной бактерией Halonatronomonas betaini , выделенной из содового озера Танатар III // Микробиология. 2022. Т. 91. С. 720–725.
  2. Detkova E. N., Boltyanskaya Y. V., Kevbrin V. V. Glycine betaine degradation via the Stickland reaction by a haloalkaliphilic bacterium Halonatronomonas betaini isolated from the Tanatar III soda lake // Microbiology (Moscow). 2022. V. 91. P. 721–726.
  3. Жилина Т. Н., Заварзин Г. А. Новая экстремально галофильная гомоацетатная бактерия Acetohalobium arabaticum gen. nov., sp. nov. // Доклады АН СССР. 1990. Т. 311. С. 745–747.
  4. Zhilina T. N., Zavarzin G. A. A new extremely halophilic homoacetic bacterium Acetohalobium arabaticum gen. nov., sp. nov. // Dokl. Akad. Nauk USSR. 1990. V. 311. P. 745–747.
  5. Заварзин Г. А., Жилина Т. Н., Кевбрин В. В. Алкалофильное микробное сообщество и его функциональное разнообразие // Микробиология. 1999. Т. 68. С. 579–599.
  6. Zavarzin G. A., Zhilina T. N., Kevbrin V. V. The alkaliphilic microbial community and its functional diversity // Microbiology (Moscow). 1999. V. 68. P. 503–521.
  7. Andreesen J. R. Glycine reductase mechanism // Curr. Opin. Chem. Biol. 2004. V. 8. P. 454–461.
  8. Bezsudnova E.Yu., Boyko K. M., Popov V. O. Properties of bacterial and archaeal branched-chain amino acid aminotransferases // Biochemistry (Moscow). 2017. V. 82. Р. 1572–1591.
  9. Biegel E., Schmidt S., González J. M., Müller V. Biochemistry, evolution and physiological function of the Rnf complex, a novel ion-motive electron transport complex in prokaryotes // Cell. Mol. Life Sci. 2011. V. 68. P. 613–634.
  10. Buckel W. Energy conservation in fermentations of anaerobic bacteria // Front. Microbiol. 2021. V. 12. Art. 703525.
  11. Buckel W. Unusual enzymes involved in five pathways of glutamate fermentation // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001. V. 57. P. 263–273.
  12. Chang A., Jeske L., Ulbrich S., Hofmann J., Koblitz J., Schomburg I., Neumann-Schaal M., Jahn D., Schomburg D. BRENDA, the ELIXIR core data resource in 2021: new developments and updates // Nucleic Acids Res. 2021. V. 49. P. D498–D508.
  13. Cunin R., Glansdorff N., Piérard A., Stalon V. Biosynthesis and metabolism of arginine in bacteria // Microbiol. Rev. 1986. V. 50. P. 314–352.
  14. Fan C., Bobik T. A. The PduX enzyme of Salmonella enterica is an L-threonine kinase used for coenzyme B12 synthesis // J. Biol. Chem. 2008. V. 283. P. 11322–11329.
  15. Fonknechten N., Perret A., Perchat N., Tricot S., Lechaplais C., Vallenet D., Vergne C., Zaparucha A., Le Paslier D., Weissenbach J., Salanoubat M. A conserved gene cluster rules anaerobic oxidative degradation of L-ornithine // J. Bacteriol. 2009. V. 191. P. 3162–3167.
  16. Garnova E. S., Zhilina T. N., Tourova T. P., Lysenko A. M. Anoxynatronum sibiricum gen. nov., sp. nov. alkaliphilic saccharolytic anaerobe from cellulolytic community of Nizhnee Beloe (Transbaikal region) // Extremophiles. 2003. V. 7. P. 213–220.
  17. Grant W. D., Jones B. E. Bacteria, archaea and viruses of soda lakes // Soda lakes of East Africa / Ed. Schagerl M. Springer International Publishing, Switzerland, 2016. P. 97–147.
  18. Heijthuijsen J. H.F.G., Hansen T. A. Anaerobic degradation of betaine by marine Desulfobacterium strains // Arch. Microbiol. 1989. V. 152. P. 393–396.
  19. Hetzel M., Brock M., Selmer T., Pierik A. J., Golding B. T., Buckel W. Acryloyl-CoA reductase from Clostridium propionicum . An enzyme complex of propionyl-CoA dehydrogenase and electron-transferring flavoprotein // Eur. J. Biochem. 2003. V. 270. P. 902–910.
  20. Kreimeyer A., Perret A., Lechaplais C., Vallenet D., Médigue C., Salanoubat M., Weissenbach J. Identification of the last unknown genes in the fermentation pathway of lysine // J. Biol. Chem. 2007. V. 282. P. 7191–7197.
  21. La Cono V., Arcadi E., La Spada G., Barreca D., Laganà G., Bellocco E., Catalfamo M., Smedile F., Messina E., Giuliano L., Yakimov M. M. A three-component microbial consortium from deep-sea salt-saturated anoxic Lake Thetis links anaerobic glycine betaine degradation with methanogenesis // Microorganisms. 2015. V. 3. P. 500–517.
  22. Magoč T., Salzberg S. L. FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies // Bioinformatics. 2011. V. 27. P. 2957–2963.
  23. Mouné S., Manac’h N., Hirschler A., Caumette P., Willison J. C., Matheron R. Haloanaerobacter salinarius sp. nov., a novel halophilic fermentative bacterium that reduces glycine-betaine to trimethylamine with hydrogen or serine as electron donors; emendation of the genus Haloanaerobacter / / Int. J. Syst. Bacteriol. 1999. V. 49. P. 103–112.
  24. Mullins E. A., Francois J. A., Kappock T. J. A specialized citric acid cycle requiring succinyl-coenzyme A (CoA):acetate CoA-transferase (AarC) confers acetic acid resistance on the acidophile Acetobacter aceti / / J. Bacteriol. 2008. V. 190. P. 4933–4940.
  25. Müller E., Fahlbusch K., Walther R., Gottschalk G. Formation of N,N-dimethylglycine, acetic acid, and butyric acid from betaine by Eubacterium limosum / / Appl. Environ. Microbiol. 1981. V. 42. P. 439–445.
  26. Naumann E., Hippe H., Gottschalk G. Betaine: New oxidant in the Stickland reaction and methanogenesis from betaine and L-alanine by a Clostridium sporogenes‒Methanosarcina barkeri coculture // Appl. Environ. Microbiol. 1983. V. 45. P. 474–483.
  27. Sorokin D. Y., Tourova T. P., Henstra A. M., Stams A. J.M., Galinski E. A., Muyzer G. Sulfidogenesis under extremely haloalkaline conditions by Desulfonatronospira thiodismutans gen. nov., sp. nov., and Desulfonatronospira delicata sp. nov. a novel lineage of Deltaproteobacteria from hypersaline soda lakes // Microbiology (SGM). 2008. V. 154. P. 1444–1453.
  28. Sorokin D. Y. Microbial utilization of glycine betaine in hypersaline soda lakes // Microbiology (Moscow). 2021. V. 90. P. 569–577.
  29. Stickland L. H. Studies in the metabolism of the strict anaerobes (genus Clostridium ): the chemical reactions by which Cl. sporogenes obtains its energy // Biochem. J. 1934. V. 28. Р. 1746–1759.
  30. Tatusova T., DiCuccio M., Badretdin A., Chetvernin V., Nawrocki E. P., Zaslavsky L., Lomsadze A., Pruitt K. D., Borodovsky M., Ostell J. NCBI prokaryotic genome annotation pipeline // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. P. 6614–6624.
  31. Vasilinetc I., Prjibelski A. D., Gurevich A., Korobeynikov A., Pevzner P. A. Assembling short reads from jumping libraries with large insert sizes // Bioinformatics. 2015. V. 31. P. 3262–3268.
  32. Wang H., Gunsalus R. P. Coordinate regulation of the Escherichia coli formate dehydrogenase fdnGHI and fdhF genes in response to nitrate, nitrite, and formate: roles for NarL and NarP // J. Bacteriol. 2003. V. 185. P. 5076–85.
  33. Wang S., Huang H., Kahnt J., Thauer R. K. Clostridium acidurici electron-bifurcating formate dehydrogenase // Appl. Environ. Microbiol. 2013. V. 79. P. 6176–6179.
  34. Zhilina T. N., Zavarzin G. A. Alkaliphilic anaerobic community at pH 10 // Curr. Microbiol. 1994. V. 29. P. 109–112.
  35. Zhilina T. N., Zavarzina D. G., Kolganova T. V., Lysenko A. M., Tourova T. P. Alkaliphilus peptidofermentans sp. nov., a new alkaliphilic bacterial soda lake isolate capable of peptide fermentation and Fe(III) reduction // Microbiology (Moscow). 2009. V. 78. P. 445–454.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Предлагаемая метаболическая схема разложения треонина и серина A. sibiricum Z-7981T : а – без бетаина; б – с бетаином. BRC – бетаинредуктазный комплекс. Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (41KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Предлагаемая метаболическая схема разложения глутамата A. sibiricum Z-7981T : а – без бетаина; б – с бетаином. Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (45KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Предлагаемая метаболическая схема разложения аспартата A. sibiricum Z-7981T . Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (25KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Предлагаемая метаболическая схема разложения лизина A. sibiricum Z-7981T: а – без бетаина; б – с бетаином. Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (40KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Цикл мочевины при разложении аргинина A. sibiricum Z-7981T. Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (15KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Предлагаемая метаболическая схема разложения аланина, лейцина, изолейцина, валина, фенилаланина и метионина в присутствии бетаина для A. sibiricum Z-7981T. Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом. Обозначения генов и соответствующих ферментов даны в табл. S2 (дополнительные материалы).

Скачать (20KB)
Метаданные
8. Дополнительные материалы
Скачать (69KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024