В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Microbiology, исследователи используют метод анализа генома для изучения использования респираторных акцепторов электронов в кишечной микробиоте человека.

Исследование: Метаболиты, полученные с пищей и из организма хозяина, используются различными кишечными бактериями для анаэробного дыхания. Фото предоставлено Катериной Кон / Shutterstock.com

Как микроорганизмы вырабатывают энергию

Гетеротрофное дыхание включает окисление и перенос электронов, что создает ионный градиент для выработки аденозинтрифосфата (АТФ). Респираторные редуктазы необходимы микроорганизмам для использования химических веществ анаэробной экосистемы в качестве акцепторов электронов, генерирующих энергию.

Микроорганизмы, которым не хватает кислорода, используют альтернативные акцепторы электронов. В сообществе анаэробных микробов кишечника преобладает ферментативный метаболизм; однако также происходят определенные обычные реакции дыхательного метаболизма. Сульфатредуцирующие бактерии используют различные акцепторы сульфатных электронов, в то время как иммунные клетки создают акцепторы электронов в воспаленном кишечнике.

Об исследовании

В настоящем исследовании исследователи разрабатывают дыхательный метод, используя обширный арсенал редуктазы для доступа к различным акцепторам электронов метаболитов. В общей сложности было исследовано 1533 собранных с помощью метагенома генома различных прокариот кишечника человека, чтобы определить, могут ли дышать кишечные микробы с большим количеством редуктаз в каждом геноме.

С этой целью для анализа были отобраны штаммы E. lenta, S. wadsworthensis и H. filiformis. Соединения, обладающие электроноакцепторными свойствами в желудочно-кишечном тракте, были исследованы, в дополнение к обычным респираторным донорам электронов, на предмет их способности запускать уроканатзависимую стимуляцию роста.

Тринадцать редуктаз флавинового типа, обнаруженных в ходе протеомных и транскриптомных исследований, были получены рекомбинантным путем, чтобы выяснить, могут ли паттерны экспрессии генов предсказывать селективность ферментативного субстрата. Из-за низкого выхода итаконат-индуцируемой редуктазы (IrDA) у E. lenta, два близкородственных ортолога IrDA были экспрессированы у Berryella wangjianweii и Adlercreutzia muris. Также были протестированы очищенные редуктазы против известных акцепторов электронов.

Связь между эволюцией редуктазы и субстратной специфичностью была исследована с использованием флавинредуктаз из геномов H. filiformis, S. wadsworthensis и E. lenta. Были проведены механистические исследования для изучения различных эволюционных путей, которые, возможно, привели к появлению редуктаз с одинаковой специфичностью к циннаматному субстрату.

Точечные мутанты, нацеленные на консервативные аминокислоты в репрезентативных циннаматредуктазах, были получены из четырех клад редуктаз, чтобы определить, отражают ли различные паттерны сохранения активного сайта в четырех кладах редуктаз механические различия.

Результаты исследования

Были идентифицированы три таксономически различных семейства бактерий кишечника человека: Erysipelotrichaceae, Burkholderiaceae и Eggerthellaceae с арсеналом респираторноподобных ферментов редуктазы, насчитывающих от десятков до сотен. В общей сложности было использовано 22 соединения для приема дыхательных электронов видоспецифичными способами путем скрининга видов каждого семейства бактерий, включая Holdemania filiformis, Sutterella wadsworthensis и Eggerthella lenta. Эти процессы катализируют трансформацию различных метаболитов, полученных в организме хозяина и с пищей, включая полезные соединения итаконат и ресвератрол.

Продукты известного дыхательного метаболизма, такие как 2-метилсукцинат, полученный из итаконата, выделяют малоизученные молекулы. Профилирование субстрата редуктазы определяет пары фермент-субстрат и представляет сложную картину развития редуктазы, демонстрируя таким образом, что редуктазы, специфичные для сходных субстратов циннамата, эволюционировали независимо четыре или более раз. Отдаленно родственные бактерии кодируют обширный арсенал редуктаз, при этом большинство респираторных редуктаз флавина и молибдоптерина обладают N-концевым сигнальным пептидом, указывающим на экстрацитозольное расположение.

В семействе актинобактерий Eggerthellaceae, семействе протеобактерий Burkholderiaceae и семействе Firmicutes Erysipelotrichaceae клады с высоким содержанием редуктазы состоят из трех отдельных клад, которые охватывают множество родов. Эти клады с высоким содержанием редуктазы состоят из бактерий с более чем 200 редуктазами в каждом геноме и сложными паттернами увеличения и потери редуктазы, что указывает на сложную эволюционную историю.

Рост дыхательных путей наблюдался у бактерий, продуцирующих флавинредуктазу, последовательность которой более чем на 50% гомологична ранее идентифицированной респираторной уроканатредуктазе (UrdA), кодируемой в геноме каждого штамма. Видоспецифичные схемы потребления также наблюдались для нескольких типов субстратов.

Субстраты и продукты редуктазы были обнаружены в фекалиях, при этом различные химические вещества были обнаружены в образцах мышей и человека, хотя в меньших количествах в группах, получавших антибиотики. Респираторные акцепторы электронов преимущественно стимулируют циннаматредуктазу у H. filiformis и E. lenta, демонстрируя таким образом их эволюционную сложность.

Географическое распределение активности редуктазы отражает сложную историю, включая циннаматредуктазы, иллюстрирующие сложную связь между селективностью к субстрату и аминокислотной последовательностью.

Молекулы аминокислот, сохраненные в активных центрах во всех кладах, были необходимы для активности и выявили уникальные конструкции активных центров, которые функционально разделяли циннаматредуктазы. Флавиноредуктазы сходной субстратной специфичности с определенными функциональными различиями были созданы в результате параллельных эволюционных процессов. Воздействие антибиотиков широкого спектра действия значительно повлияло на состав кишечного микробиома в образцах с более чем 90% относительным содержанием энтерококков и протеобактерий.

Выводы

Результаты исследования подчеркивают новый тип анаэробного дыхания, который связывает энергетический метаболизм микроорганизмов с метаболомом кишечника. Кишечный микробиом состоит из различных организмов с несколькими респираторноподобными ферментами редуктазой в их геномах, респираторным метаболизмом и зависящими от штамма паттернами утилизации. Эта форма дыхания может иметь решающее значение для кишечника, участвуя в регуляции ферментов и факторов транскрипции, а также метаболических и иммунологических процессов.