细胞外的细胞色素纳米线似乎无处不在的微生物

核废料旁边细菌隔绝污染沟在俄克拉何马州有一个不寻常的肢长细胞外的纳米线,可以导电。电子传递链的纳米线进行电子从细菌到不溶性外部电子受体帮助微生物产生能量。这样的远程电子转移在微米尺寸被认为是发挥了重要作用在早期的地球微生物的新陈代谢。

现在Fengbin“杰瑞”王博士的伯明翰阿拉巴马大学和他的同事们在巴黎和维吉尼亚州的报告,这种纳米线,由长链的细胞色素蛋白,似乎无处不在的原核微生物,包括细菌和古生菌。古生菌第二原核微生物领域的生活除了细菌,和古生菌被认为是一个古老的中间群细菌和真核细胞更高级的生命形式中找到喜欢的动物和植物。

除了强烈表明这些细胞外的细胞色素纳米线或ecn,随处可见许多原核生物新陈代谢依靠远程电子转移,共同通讯作者,集市Krupovic,博士,巴斯德研究所,巴黎,和爱德华·h·Egelman博士,弗吉尼亚大学医学院的弗吉尼亚州夏洛茨维尔表示,他们的发现证明了细胞外的细胞色素细丝在核废料旁边发现sulfurreducens并不是唯一的。

他们的研究发表在《细胞》杂志上,通过低温电子显微镜使用生物信息学和分子结构的决心。UAB的,王是一个助理教授生物化学和分子生物学。

g . sulfurreducens有三个ecn,每一个长链由三个不同的c -型细胞色素之一。每个c -型细胞色素分子包含多个血红素,附着在细胞色素的含铁卟啉和电子转移。血红素是俗称的血红蛋白氧载体红细胞。

研究人员观察了archaebacterial物种的基因数据集预测multi-heme c -型细胞色素,和他们使用多个过滤器来确定可能形成ecn的细胞色素。蛋白质必须:1)有一个“信号肽序列”,帮助运输蛋白质膜的微生物,2)缺乏跨膜区域,必须插入细胞的膜,3)与其他multi-heme c -型编码细胞色素在同一应变,和4)缺乏现有的已知序列同源蛋白质折叠,这意味着细胞色素被预测还看不见的三维二级结构。

从这些标准,他们测试了三个extreme-thermophile ECN的候选人,他们能够种植ECN——被低温电子显微镜——从两个属于不同类群的物种。研究人员还使用低温电子显微镜来确定两个ecn的分子结构,在3.8和4.1埃分辨率。

ECN来自Pyrobaculum calidifontis一直孤立的从地面温泉在菲律宾。p . calidifontis在实验室生长的温度194度f的其他ECN Archaeoglobus veneficus,孤立的从蛇坑深海热泉喷口附近站点,海洋中部山脊上11500英尺深。在实验室a veneficus种植在167华氏度。

研究人员能够识别哪些具体的c型细胞色素,从许多不同的c -型细胞色素在每一个微生物的基因组,用于种植ECN。这些纳米线指定PcECN, p . calidifontis ECN和AvECN veneficus ECN。PcECN T和AvECN有三个显著的两个g . sulfurreducens ecn的相似之处。首先,所有四个ecn绝缘血红素,这意味着蛋白质包围内部血红素,如绝缘铜线,血红素是防止溶剂的相互作用。第二,每个细胞色素单元的四个ecn有四个血红素网站。第三,三维四个ecn的血红素叠加模式非常相似,尽管不同的结构无关的细胞色素ecn没有相似的蛋白质折叠。这表明有一个优化溶剂难以接近的ecn的血红素叠加模式。

当研究人员搜查了蛋白质数据银行,他们惊奇地发现,这种血红素叠加也出现在电子转移的酶在较短的距离,尽管它们之间的功能差异,没有可辨认的折叠相似。这些蛋白质包括亚硝酸盐还原酶,亚硫酸盐还原酶,NrfB,光合细胞色素c552、羟胺氧化还原酶,地铁复杂,三种类型的氧化还原酶。因此,four-heme阵列模式在本质上是无处不在的,表明这是一个进化优化heme-orientation高效的电子转移。

ECN的研究人员发现,同源染色体细胞色素——这意味着其他蛋白质与一个共同的进化起源——古生菌普遍存在。具体来说,同源染色体的检测到了PcECN热点Desulfurococcales,虽然同系物AvECN分布更广。AvECN同系物被发现在其他hyperthermophilic Archaeoglobales秩序的成员,并在烷烃降解古生菌的订单Syntrophoarchaeales甲烷氧化剂的家人Methanoperedenaceae和在多个超大megaplasmids称为犹太裔。犹太裔与methane-oxidizing Methanoperedens古生菌。

王先生和他的同事们展示了这些同源染色体之间的进化关系。他们还发现,参与血红素氨基酸主题附件和协调Archaeoglobales守恒,Syntrophoarchaeales Methanoperedenaceae,犹太裔,这表明这些生态重要古生菌可以形成结构类似的ecn。

其他的生物信息学分析表明,AvECN蛋白家族和c552-family从紫色硫光合细菌细胞色素共享一个共同的祖先进化。

参考:Baquero DP, Cvirkaite-Krupovic V,胡锦涛党卫军,et al .细胞外的细胞色素在原核生物纳米线似乎无处不在。细胞。2023;186 (13):2853 - 2864. e8。doi:10.1016 / j.cell.2023.05.012

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