2018-11-30 06:06:01
团队揭示了具有重大意义的新分子

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大约20年前,特拉华大学的汤姆汉森开始研究细菌Chlorobaculum tepidum(Cba.tepidum),这是一种只存在于火山温泉中的生物,用于了解它如何从光和化学物质中捕获能量以在该环境中生长。研究有机体的原因之一是Cba。 tepidum是一种重新氧化硫化物的微生物,硫化物是一种对人体有毒的化合物。因为Cba。 tepidum及其亲属,我们可以住在地球的附近,其中硫化物是由海洋等其他生命形式产生的。

现在,在美国微生物学会开放获取期刊mBio上发表的一篇论文中,汉森和他的同事发现了一种前所未有的生活模式,都试图弄清楚一种微生物如何来自温泉谋生。

硫化物作为士力架

UD的地球,海洋和环境学院海洋科学与政策学院的微生物学家Hanson说,了解微生物很重要,因为没有它们,人类的生命就不会存在。

“我们呼吸的一半氧气是由海洋中的微生物产生的,”汉森说。 “如果我们没有微生物分解有机物质,我们就会在数百米高的陆地上积累死亡的植物物质。这些生物体会使碳循环保持转动,它们会使氧气循环保持转动,并且我们的情况是,它们使硫循环保持转变。“

汉森一直对从事硫磺工作的微生物特别感兴趣,他们说,正如人类呼吸氧气和制造无害的水一样,有些生物会呼吸硫磺并制造出有毒的硫化物。

如果没有生物再氧化硫化物,人类就无法生活在海洋附近的任何地方。对我们来说幸运的是,像Cba这样的生物。 tepidum发现硫化氢味道鲜美。

“我们认为硫化氢是腐烂的鸡蛋,他们认为士力架吧,”汉森说。

Cba的亲戚。 tepidum存在于切萨皮克湾附近的特拉华州水域。幸运的是,在海湾的生活中,他们的存在是消耗他们的硫化物士力架棒,保持从切萨皮克湾的缺氧底水中出来的硫化物盖帽,并帮助保持海湾的上部水域氧化。

低分子量硫醇

CBA。 tepidum不能在氧气存在的情况下生长,Hanson说他对这种细菌很感兴趣,因为虽然它像植物一样需要光能和二氧化碳来制造生物质,但它却以一种非常不同的方式。一个关键的区别是,虽然植物在这个过程中使用水并制造氧气,但Cba。 tepidum使用硫化氢并制造硫酸盐。汉森的实验室一直在努力发现Cba究竟是怎样的。 tepidum正在将硫化氢转化为硫酸盐。

其他微生物学家有一个假设,即将硫化氢转化为硫酸盐的过程将涉及一种称为低分子量硫醇的有机化合物,这种化合物是由所有生命制造的。硫醇可保护细胞免受氧化应激,帮助它们对环境中的有毒化学物质进行解毒。

两个令人惊讶的发现

汉森和他的团队开始调查Cba生产的硫醇。 teepidum最终在寻找硫化氢 - 硫酸盐转化的可能机制方面取得了两项重要发现。

首先,他们发现了一种由Cba制造的新硫醇。 tepidum是地球上生命中分布最广的一种。其次,他们表明,尽管他们和其他研究人员认为,这个硫醇不直接帮助Cba。 tepidum将硫化氢代谢为硫酸盐,反驳了常见的假设。

现在在康宁公司工作的汉森实验室的前博士生詹妮弗·希拉斯(Jennifer Hiras)是揭开科学从未见过的低分子量巯基的人。因为这是一个新颖的巯基,她和汉森并不确切地知道他们找到了什么。

通过分解分子并观察质谱仪中的碎片,他们能够说新发现的硫醇与一种名为bacillithiol(BSH)的硫醇共享一些碎片,这种碎片存在于土壤细菌中。汉森说,这些土壤细菌与Cba不同。 tepidum,因为人类来自橡树。他们可以说这个新的硫醇上有额外的碳和氢原子,但不确定它们在分子上的确切位置。

对于他们来说幸运的是,东安格利亚大学的化学家克里斯·汉密尔顿(Chris Hamilton)曾阅读过Hiras的论文,并提出了通过制造含有额外碳和氢原子的杆状菌的帮助。

“克里斯研究过bacillithiol,可以在试管中制备候选分子,”Hanson说。 “他提出了两个可能的新分子候选物。他的实验室制造了它们,其中一个结果与我们在Cba.tepidum中找到的分子完全一样。”

因为他们知道这个实验室制造的分子的结构,该小组能够确定Cba。 tepidum通过在氮原子上放置甲基来改性杆状醇,以制备N-甲基 - 杆菌醇(N-Me-BSH),这是新发现的化合物的名称。

孤儿酶

一旦他们发现了N-Me-BSH的结构,他们就假设了Cba。 tepidum通过首先制备杆菌醇然后使用称为甲基转移酶的酶来添加甲基来实现。他们可以证明Cba。 tepidum的基因允许它通过使用土壤细菌的基因序列来搜索Cba来制造杆状菌。 tepidum基因组。

这使他们能够在Cba中寻找基因。编码甲基转移酶的tepidum,但他们不知道这些酶如何帮助Cba。 tepidum grow  - 被称为孤儿酶。

“微生物基因组包含编码大量孤儿酶的基因,”汉森说。 “我的科学目标之一是给孤儿酵素家园;我想知道这些酶如何帮助微生物在世界上谋生。”

使用两种候选孤儿甲基转移酶,现在在诺布尔研究所工作的汉森实验室的博士后Vidhya Raman能够制造Cba菌株。 tepidum,其中这两种甲基转移酶的基因已被删除。她发现一个孤儿菌株不再生产N-Me-BSH,而只生产BSH。她还删除了bacillithiol合成的基因,并显示这些菌株不再产生N-Me-BSH或BSH。

通过分析这些菌株,Hanson的研究小组表明,在硫代谢过程中使用低分子量硫醇来携带硫原子的假设是错误的。相反,不能制造硫醇的菌株仍然能够将硫化氢完全代谢为硫酸盐。

“在Cba.tepidum工作,一种只生活在火山温泉中的有机体,我们发现了这种新分子,可以准确地说出允许微生物制造它所需的基因,”汉森说。

利用这些新信息,他们能够使用基因序列来预测不同生物体所产生的硫醇。与罗格斯大学的博士生Javiera Norambuena合作,他们在其他细菌中测试了这些预测并证明它们是准确的。

他们的研究表明,杆状菌和相关分子如N-Me-bacillithiol在所有生命形式中都更为普遍,似乎是生物学中分布最广的低分子量硫醇。

“我们的人体细胞使用一种名为谷胱甘肽的硫醇。谷胱甘肽因为它存在于人类和植物中而受到了很多关注,但事实证明我们的分析表明谷胱甘肽在整个生命中实际上比其他硫醇更少普遍, “汉森说。 “这表明生物学和进化如何产生不同的途径:保护细胞免受氧化应激和有毒化学物质的硫醇。在这种情况下,人类和植物中的解决方案不是唯一的,甚至是最常见的“。

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