במחקר שפורסם לאחרונה ב מיקרוביולוגיה של הטבע, חוקרים משתמשים בטכניקת כריית גנום כדי לחקור את ניצול קולטני האלקטרונים הנשימתיים במיקרוביוטה של המעי האנושי.
לימוד: מטבוליטים שמקורם בתזונה וממארח משמשים חיידקי מעיים מגוונים לנשימה אנאירובית. קרדיט תמונה: Kateryna Kon / Shutterstock.com
איך מיקרואורגניזמים מייצרים אנרגיה
נשימה הטרוטרופית כוללת חמצון והובלת אלקטרונים, מה שיוצר שיפוע יונים לייצור אדנוזין טריפוספט (ATP). רדוקטאזים נשימתיים נדרשים למיקרואורגניזמים להשתמש בכימיקלים אנאירוביים של המערכת האקולוגית כמקבלי אלקטרונים המייצרים אנרגיה.
מיקרואורגניזמים שחסר להם חמצן משתמשים במקבלי אלקטרונים חלופיים. חילוף החומרים של התסיסה שולט בקהילת חיידקי המעיים האנאירוביים; עם זאת, מתרחשות גם תגובות מסוימות של מטבוליזם נשימתי קונבנציונלי. חיידקים מפחיתי סולפט משתמשים במקבלי אלקטרונים גופרתיים שונים, בעוד שתאי חיסון יוצרים קולטני אלקטרונים במעי המודלק.
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, חוקרים מפתחים שיטה נשימתית המשתמשת בארסנל רדוקטאז עצום כדי לגשת למקבלי אלקטרונים מטבוליטים שונים. בסך הכל נבדקו 1,533 גנומים שהורכבו עם מטאנום מפרוקריוטות מעיים אנושיות שונות כדי לקבוע אם חיידקי מעי עם רדוקטאזים רבים עבור כל גנום יכולים לנשום.
לשם כך, ה E. lenta, S. wadsworthensisו H. filiformis זנים נבחרו לניתוח. תרכובות בעלות איכויות קולטות אלקטרונים במערכת העיכול נחקרו, בנוסף לתורמי אלקטרונים נשימתיים נפוצים, על יכולתן לעורר קידום צמיחה תלוי אורוקנט.
13 רדוקטאזים מסוג פלבין שהתגלו בחקירות פרוטאומיות וטרנסקריפטומיות נוצרו באופן רקומביננטי כדי לחקור אם דפוסי ביטוי גנים עשויים לחזות סלקטיביות של מצע האנזים. עקב רדוקטאז (IrdA) הנמוך המושרה על ידי איטקונאט מניב E. lentaבאו לידי ביטוי שני אורתולוגים קרובים של IrdA Berryella wangjianweii ו-Adlercreutzia muris. כמו כן נבדקו רדוקטאזים מטוהרים כנגד מקבלי אלקטרונים ידועים.
הקשר בין התפתחות רדוקטאז לבין סגוליות המצע נחקר באמצעות פלבין רדוקטאזים מה- H. filiformis, S. wadsworthensis, ו-E. lenta גנומים. מחקרים מכאניסטיים בוצעו כדי לחקור נתיבים אבולוציוניים ברורים שייתכן שהובילו לרדוקטזים בעלי סגוליות מצע קיננאט שווה.
מוטנטים נקודתיים המכוונים לחומצות אמינו משומרות ברדוקטאזים מייצגים של cinnamate נוצרו מארבעת ה-reductase clades כדי לקבוע אם הדפוסים השונים של שימור האתר הפעיל בארבעת ה-reductase clades שיקפו הבדלים מכניסטיים.
ממצאי המחקר
שלוש משפחות חיידקי מעיים אנושיים שונים מבחינה טקסונומית של Erysipelotrichaceae, Burkholderiaceaeו Eggerthellaceae זוהו עם ארסנל של אנזימי רדוקטאז דמויי נשימה בעשרות עד מאות. סך של 22 תרכובות נוצלו כדי לקבל אלקטרונים נשימתיים בדרכים ספציפיות למין על ידי בדיקת מינים של כל משפחת חיידקים, כולל Holdemania filiformis, Sutterella wadsworthensisו אגרת'לה לנטה. תהליכים אלה מזרזים את הטרנספורמציה של מטבוליטים שונים שהושגו במארח ובתזונה, כולל התרכובות המועילות איטקונאט ורזברטרול.
מוצרים של מטבוליזם נשימתי ידוע, כגון 2-methyl succinate שהושג ב-Itaconate, מדגישים מולקולות שאינן מובנות. פרופיל מצע רדוקטאז מציין זיווג של אנזים-מצע ומציג תמונה מסובכת של התפתחות רדוקטאז, ובכך מדגים כי רדוקטאזים ספציפיים למצעי cinnamate דומים התפתחו באופן עצמאי ארבע פעמים או יותר. חיידקים קרובים רחוקים מקודדים לארסנלים נרחבים של רדוקטאז, כאשר לרוב רדוקטאזות הנשימה של פלאבין ומוליבדופטרין יש פפטיד אות N-טרמינלי המעיד על מיקום חוץ-ציטוזולי.
במשפחת האקטינובקטריות Eggerthellaceaeמשפחת פרוטאובקטריה Burkholderiaceaeומשפחת Firmicutes Erysipelotrichaceae, קלידים בעלי רדוקטאז גבוה כוללים שלושה קלידים נפרדים המשתרעים על פני סוגים רבים. קלידים בעלי רדוקטאז גבוה אלה מורכבים מחיידקים עם יותר מ-200 רדוקטאזים לכל גנום ודפוסי רווח והפסד מורכבים של רדוקטאז, ובכך מעידים על היסטוריה אבולוציונית מסובכת.
צמיחה נשימתית נצפתה בחיידקים המייצרים פלבין רדוקטאז עם יותר מ-50% הומולוגיה של רצף ל-UrdA (Respiratory urocanate reductase) המקודד בתוך הגנום של כל זן. כמו כן נצפו דפוסי צריכה ספציפיים למין עבור מספר סוגי מצע.
מצעים ומוצרים של רדוקטאז נמצאו בצואה, עם כימיקלים שונים שנמצאו בדגימות עכברים ובני אדם, אם כי בכמויות נמוכות יותר בקבוצות שטופלו באנטיביוטיקה. מקבלי אלקטרונים בדרכי הנשימה מעוררים את ה-cinnamate reductase בעדיפות H. filiformis ו E. lentaובכך מדגימים את המורכבות האבולוציונית שלהם.
ההתפלגות הגיאוגרפית של פעילות הרדוקטאז משקפת היסטוריה מורכבת, כולל רדוקטאזות קינמט המדגימות את הקשר המורכב בין סלקטיביות המצע ורצף חומצות אמינו.
מולקולות חומצות אמינו שנשמרו באתרים פעילים על פני קלאדים נדרשו לפעילות וחשפו עיצובים ייחודיים לאתר פעיל שהפרידו פונקציונלית בין רדוקטאזים של cinnamate. פלבין רדוקטאזים בעלי סגוליות מצע דומה עם הבדלים תפקודיים מסוימים נוצרו באמצעות תהליכים אבולוציוניים מקבילים. חשיפה לאנטיביוטיקה רחבת טווח השפיעה באופן משמעותי על הרכב המיקרוביום של המעי בדגימות עם יותר מ-90% שפע יחסי של אנטרוקוקוס ו פרוטאובקטריה.
מסקנות
ממצאי המחקר מדגישים סוג חדשני של נשימה אנאירובית המקשרת את חילוף החומרים של אנרגיה מיקרוביאלית עם מטבולום המעי. המיקרוביום של המעי מורכב מאורגניזמים שונים עם מספר אנזימי רדוקטאז דמויי נשימה בגנום שלהם, מטבוליזם נשימתי ודפוסי ניצול תלויי זן. צורת נשימה זו עשויה להיות מכרעת למעי על ידי השתתפות בוויסות האנזימים וגורמי שעתוק, כמו גם תהליכים מטבוליים ואימונולוגיים.
