首先分析Metallome Hyperthermophilic古生菌的生物特征

文摘

到目前为止,尚无实验数据报告的metallome hyperthermophilic微生物尽管众所周知,金属需求增长是唯一的。这里,实验来确定(i)细胞的微量金属浓度hyperthermophilic古生菌产甲烷球菌属jannaschii和海床furiosus,(ii)的初始估计的metallome hyperthermophilic物种通过icp。这些细胞的金属内容比较使用嗜中温细菌平行实验大肠杆菌在有氧和无氧的条件下生长。铁和锌是典型的细胞中含量最丰富的金属。金属浓度大肠杆菌的顺序增加耗氧减少铁>锌>铜>莫>镍> W >有限公司相比之下,m . jannaschii和p . furiosus显示几乎相反的模式与倪升高,公司,和W浓度。的三个生物,生命指标可能是产烷生物的展示m . jannaschii在某种程度上,这可能与metallome甲烷生成的要求。微量金属的生物利用度超过可能不同。如果超嗜热菌非常古老,那么这里观察微量金属模式可能会提供一些见解关于地球最早的细胞,反过来,早期的地球化学。

1。介绍

微量金属是至关重要的组件所需的所有生命系统和一系列代谢和结构功能。主要在这些是在大量细胞反应的催化作用包括能源生产。细胞的元素内容定义为其metallome:所有生命所需的主要元素,加上大约十bioessential过渡金属,包括铁、锰、有限公司钼、锌、镍、铬、铜、V, w .某些金属,如铁和锌普遍实用程序在大多数生物体而其他人执行特定功能只有在某些生物(1]。

metallomes可能广泛的差异解释为不同的微生物要求以及可用性的元素有不同的环境中通过时间(见,例如,2- - - - - -4])。这些变化,促进了通过改变环境条件在地上,最有可能直接影响生命的进化。这可能的证据记录在金属利用率的变化在特定群体的生物进化在不同时期地球的历史。例如,镍和W厌氧生长的基本要求是古细菌产甲烷菌和超嗜热菌,分别,他们在新陈代谢,通常被认为是相当原始的(1,5]。另一方面,利用Mo硝酸细菌和真核生物固氮和减少可能是氧化后发起地球~ 2.2 Ga(例如,6,7])。增加氧气在大气中,钼氧化物与相对较高的溶解度成为更多可用生物物种(8,9]。

超嗜热菌最佳生长温度> 80°C和主要发现在生活的热点领域。有两个主要热点组:基本上hyperthermophilic Crenarchaeota和methanogen-containing Euryarchaeota。超嗜热菌往往占据了原核领域最深和最短的血统(10,11)和独特的高温环境中发现如深海热液喷口或地热陆地网站(11,12]。这些自然环境中通常包含相对较高,在某些情况下,有毒金属的浓度,矛盾的是促进和维持微生物的生长。例如,铁的浓度^{2 +}在海水中通常是< 1 nM但通常超过10毫米的价值观在深海热泉流体13- - - - - -15]。然而,所有生物包括超嗜热菌有特定的策略和演化机制,应对环境压力。例如,一些微生物能产生金属螯合剂为细胞或函数都安全的金属相反,绑定和去除有害物种的细胞或细胞外,例如,(16- - - - - -22]。

我们理解如何bioessential微量金属浓度随时间改变了环境的显著增长。然而,同样不能说对我们理解大多数的热点原核生物或者事实上,他们生活的极端的栖息地。同样,利用微量金属的各种微生物组是一个函数的许多因素,包括可用性、细胞的需求,环境约束,替换或金属之间的竞争23]。大量的实验研究试图量化不同的细胞内金属配额,主要是海洋,生物。在所有此类调查很难证明是否报道金属配额代表的真正metallome生物研究下,或者只是媒体成分或特定的生长条件。此外,尚不清楚是否真核金属化学计量学也代表原核的配额。对于原核生物,这些问题是加剧了这一事实微生物需要不同的金属不同的新陈代谢也需要不同的增长媒体。

考试的微量金属利用率之间的相关性,微生物新陈代谢,微生物本身可以用来推断通过时间和环境变化可能被利用作为潜在的生物特征(例如,24- - - - - -27])。早期微生物的适应能力和利用不同金属的条件将是有益的,它可以使代谢过程的优化以及微生物的适应新环境。

向这些目标,系统的普查的微量金属内容需要进行原核metallome为了更好地理解这些生物和生物地球化学联系他们居住的环境。在这个贡献,我们调查的微量金属内容两个hyperthermophilic微生物以(1)确定微量金属含量;(2)研究变量下的细胞吸收金属金属浓度;(3)探索hyperthermophilic系统金属生命指标的可能性。作为基准和为了使比较和推论,金属内容也确定了大肠杆菌。

2。材料和方法

2.1。微生物

三个被用于这项研究微生物:细菌大肠杆菌,一个异养超嗜热菌海床furiosus,hyperthermophilic产烷生物产甲烷球菌属jannaschii。后两个是严格的海洋厌氧生物;大肠杆菌是一种陆地兼性需氧菌在有氧和无氧的条件下生长。生物体是种植在最适生长温度:大肠杆菌,37°C;p . furiosus,98°C;m . jannaschii,85°C。所有微生物最初从德国获得Sammlung冯Mikroorganismen和Zellkulturen (DSMZ)和维护实验室的c . h .房子(美国宾夕法尼亚州宾州州立大学帕克分校)。m . jannaschii最近被重新分类,Methanocaldococcus jannaschii(28]。

2.2。增长的媒体

鉴于日益增长的超嗜热菌的极端困难和复杂的营养需求,这不是我们的意图在完整的金属限制的条件下细胞生长。然而,试图培养微生物尽可能接近金属的限制。

媒体准备和样本集合中使用的所有实验室的器具清洗浸泡在10%盐酸紧随其后在18 MΩ水彻底冲洗。试剂从费雪提供或Sigma-Aldrich的化学物质。美国明尼托卡Savillex PFA实验室的器具(、锰)是用来收集和消化所有最终细胞颗粒和细胞溶解产物样本。

有机基质中使用大肠杆菌和p . furiosus媒体首次接受Chelex 100树脂(200 - 400目,Biorad、钙、美国)。这种治疗移除金属有机物和建立了一个最小的金属中包含基线。矿产股票的解决方案(见下文)含有各种微量金属都是由分别,然后添加到resin-cleaned有机构成最终增长媒体解决方案。

的大肠杆菌介质中(每升)10 g磅粉;5 x Na₂我们₄ 2 h₂O矿物溶液(0.02 g L⁻¹);5 x矿物包含(每升)2.0 g MgSO解决方案₄ 7小时₂啊,0.2 g MnSO₄ H₂啊,0.2 g FeSO₄ 7小时₂啊,0.02 g CoSO₄ 7小时₂啊,0.1 g ZnSO₄ 7小时₂啊,0.02 g CuSO₄ 5 h₂啊,0.01 g Na₂MoO₄ 2 h₂啊,0.02 g L⁻¹NiCl₂ 6小时₂啊,0.01 g L⁻¹Na₂搜索引擎优化₃ 5 h₂啊,0.01 g VOSO₄,0.01 g CrK (₄)₂ 12小时₂啊,0.008 g H₃薄₃。集中HCl是用来调整股票的pH值(~ 3)保持在溶液中金属矿物解决方案。这一媒介在有氧和无氧条件下。磅粉是溶解在水体积的MQ Chelex前100树脂(~ 3.0 g L⁻¹)添加;混合物被搅拌1小时然后重力过滤去除树脂。微量金属解决方案被添加和中长大体积和pH值调整到7。有氧介质被分发到1 L厄伦美厄烧瓶,都包着硅胶插头。厌氧培养基被泡沫流的N脱气₂~ 20分钟;pH值调整与浓盐酸或氢氧化钠(10%)和分配到血清瓶在厌氧室进行。厌氧瓶覆三次刷新了N₂,紧随其后的是最后一个相同的气体增加0.5条压力。的增长大肠杆菌通常不需要额外的微量金属在生长介质,但包括一些实验(嗯,增长试验),以确保所有微量金属之间的均匀性实验。中被高压灭菌消毒。

的p . furiosus介质中(每升)3.0 g Na₂所以₄,0.2 g KH₂阿宝₄,0.3 g NH₄Cl, 0.3 g氯化钾,0.2 g CaCl₂ 2 h₂啊,0.3 g MgCl₂ 6小时₂啊,20.0克氯化钠,5.0 g蛋白胨、酵母1.0克,5 x矿产解决方案(见大肠杆菌介质制备)。的溶液蛋白胨、酵母和Chelex 100树脂搅拌1小时然后重力过滤去除树脂。然后介质是由混合所有试剂的解决方案和脱气通过鼓泡流N₂~ 20分钟。pH值(7)调整和分配到0.5 L血清瓶在厌氧室进行。实验瓶覆三次刷新了N₂,紧随其后的是最后一个添加相同的气体压力2酒吧。中被高压灭菌消毒。

的m . jannaschii介质中(每升)3.0 g Na₂所以₄,0.2 g KH₂阿宝₄,0.3 g NH₄Cl, 0.3 g氯化钾,0.2 g CaCl₂ 2 h₂啊,0.3 g MgCl₂ 6小时₂啊,20.0克氯化钠,3.0毫升氢氧化钠溶液(10%)和两个5 x矿产解决方案(见大肠杆菌介质制备),0.5 g半胱氨酸盐酸。介质是由混合在溶液中所有试剂除半胱氨酸和脱气通过鼓泡流()~ 20分钟。半胱氨酸、pH值调整(7),并分配到1 L血清瓶在厌氧室进行。三次实验瓶的顶部空间刷新,紧随其后的是最后一个添加相同的气体混合2条压力。中被高压灭菌消毒。

2.3。生长实验

为了估计的metallome微生物在这项研究中,有两种方法可提取细胞微量金属:完整的细胞酸性消化和一套细胞裂解技术。下面提供的所有技术细节。

细胞种植在三个独立的微量金属浓度:无金属(NM)、低金属(LM)和高金属(HM)。后两个形成溶解实验的基础,但不是主要集中在网上(见补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2012/789278)。整个细胞酸性消化所有微生物只有进行纳米实验而溶解实验这三种金属条件但不是每一个细胞。纳米意味着微量金属没有添加到增长媒体这些实验。然而,m . jannaschii不会生长在一个没有微量金属的媒介。因此,纳米介质m . jannaschii是由相同的添加微量金属浓度LM批,但过滤(0.1μ高压灭菌后m Acrodisc注射器过滤器)。纯培养微生物都是生长在储备基地媒体没有添加微量金属(NM)。建立了这些文化被用作生长培养液实验。媒体采样前接种开始增长。根据微生物和微量金属条件下,各种细胞的增长通常在2 - 4天。p . furiosus和大肠杆菌增长最快的倍(最大2天)和m . jannaschii,最长的。p . furiosus和大肠杆菌通常有翻倍的分钟最佳生长条件下,增加生长期中观察到这些实验可能是由于更长的停滞阶段的细胞适应增长的媒体。

增长后,整个细胞的体积和在介质(上层清液)轻轻混合并注入离心管。细胞计数和上层清液分析样品之前就被除掉了离心法(5000 rpm, 1小时,10°C)。另一个浮在表面的样本被使离心后,媒介提供了,细胞颗粒与超纯氯化钠溶液洗3次。使用的盐溶液洗涤是类似于盐(氯化钠)浓度在中每个单元格(m . jannaschii和p . furiosus,2.5%;大肠杆菌,0.5%)。清洗步骤期间,细胞被离心机在8000 rpm 15分钟10°C。洗后,大部分细胞颗粒在超纯水浆状,分为相等体积分数对酸消化和溶解。细胞数量确定通过直接用光学显微镜细胞计数。

酸性消化的细胞颗粒分数是离心去除大部分的液体和颗粒转移到PFA烧杯和干(50°C)恒重前消化(见下文)。三个细胞裂解技术是采用:声波降解法、冻融、珠跳动。每个技术的条件如下。布兰森声波降解器450(输出~ 3)是用于声波降解法。顶端与乙醇和18 MΩ水清洗之前被使用。样本用15秒后冷却段45秒的冰水浆;这个过程重复了3次。冻融法、细胞颗粒泥浆第一次被冻结在一夜之间−80°C,第二天,并允许在室温下解冻之前轻轻混合和冷冻;这是重复3次。氧化锆珠(弱耦合,200μm,运维诊断LLC NJ)用于珠打技术。超纯HNO珠子清洗在50%₃、双蒸馏水冲洗和干燥之前被使用。细胞颗粒是均质5分钟然后在冰浴冷却3分钟;这是重复20分钟的时间。细胞溶解细胞从上面的三种方法是离心机(5000 rpm, 30分钟)和溶解产物透过0.1μm Acrodisc注射器过滤器直接进入PFA烧杯。裂解实验没有进行m . jannaschii纳米细胞(整个卷酸消化)大肠杆菌- lm分数。

媒体,上层清液,和实验空白样本过滤(0.1μ以2.5% m Acrodisc过滤器)和酸化%高频进行分析。细胞溶解产物和干细胞颗粒在集中超纯HNO一夜消化₃最后2.5%了%高频。媒体和上层清液通常是稀释50 x进行分析而细胞颗粒和溶菌产物进行了分析未稀释的。(铟)作为内部标准监控分析物的敏感性和添加到所有样品和标准浓度的前20磅的分析。外部标准化是由构造标准校准曲线来确定检测极限和线性工作范围主要和微量元素;这一过程所涉及的三个独立集matrix-matched标准(2.5,0.5和0%氯化钠)和纯标准解决方案在一个浓度范围的利用个人阳离子股票(高纯度标准)和多元素微量元素股票(PSU-CAL-1、无机企业有限公司)。在每个分析会话之前标准进行了分析。元素浓度测量在一个高分辨率的电感耦合等离子体质谱仪(HR-ICP-MS Finnigan元素1)。估计不确定性值浓度10%。检测范围(μg / L),计算3 x的空白实验的SD对于每一个微生物,为微量金属报告在以下范围:铁(1.0 - -5.0)、锌(0.1 - -5.0)、锰(0.01 - -0.5)、镍(0.3 - -1.0),莫(0.1),铜(0.01 -0.05)、(0.01),(0.01 - -0.1)。

3所示。结果

鉴于增长的条件下金属浓度低,纳米实验主要集中在这项研究中,尤其是整个细胞酸消化分数。因此以下结果和讨论集中在海里的数据,与额外的关于大部分溶解实验结果(LM和HM)提供的补充材料。

金属浓度测量纳米增长媒体如表所示1。剩余数量的金属,特别是铁和锌,可能是有机基质用于更加丰富大肠杆菌和p . furiosus媒体和可能不是有效的删除与Chelex治疗后。然而,不含铁和锌,所有纳米媒体的背景微量金属含量相对较低(< 0.1 mg / L)。注意,如前所述,NMm . jannaschii媒介并不接受Chelex但在LM级金属浓度增加,介质过滤去除金属胶体和/或无机沉淀,从而降低金属的总浓度。在所有的实验中大多数微量金属是有效地洗了洗步骤2的细胞(表S2)。增长总量和产生细胞数字展示在表2。颗粒(即最大的细胞,with the greatest number of cells) was obtained for the aerobic大肠杆菌文化。最小的是超嗜热菌的获得p . furiosus和m . jannaschii。

观察到的模式并不意外的情况下尤其如此大肠杆菌通常不需要额外的微量金属对细胞生长,而是获得所有bioessential营养有机介质中生长。相比之下,大多数实验室超嗜热菌通常生长在无机介质或organic-supplemented无机介质包含足够水平的最优增长所需添加微量金属。此外,微生物通常规定的最优条件下培养但有限的增长可能发生无论细胞适应nonoptimal条件。这可能是兼性微生物的情况大肠杆菌,得到了更高的细胞数量的细胞耗氧(增长)的细胞的首选模式相比,厌氧细胞。

完整的细胞金属浓度的metallome解释为细胞。总结这些metallomes的酸消化分数纳米实验图1。铁是最丰富的金属然而,在所有的细胞都有一个鲜明对比的其他金属细胞之间的内容。特别感兴趣的是产烷生物的金属含量m . jannaschii。不含锰为酸消化分数低于检测,金属丰度的顺序(μg /细胞)m . jannaschii是铁>镍>有限公司>锌> >铜>莫而大肠杆菌几乎是相反的;铁>锌>铜>莫>镍> W >有限公司金属含量测定p . furiosus谎言所观察到的其他两种微生物之间的趋势:铁>锌>镍>铜> W >有限公司>莫。观察到的趋势大肠杆菌下氧的存在与否是相同的;唯一的变化指出略高的金属浓度,特别是对于有限公司在厌氧生长的细胞。一般来说,大多数金属的浓度在超嗜热菌在某种程度上增强了大肠杆菌。然而,hyperthermophilic镍浓度、Co和W明显更大,至少一个数量级,而这种细菌。

金属浓度测量的三个物理溶解技术(声波降解法、冻融、珠跳动)的所有细胞的纳米实验显示小和一般微不足道的变化(图2)。一般来说,这些数据镜像整个单元格数据图1。只有铜或镍显示证据裂解技术之间的差异,这是观察大肠杆菌(厌氧)和p . furiosus。此外,一些差异在层次结构的金属溶解技术相比,酸消化的结果,但趋势是相似的。变化很可能归因于小差异由个人的溶解方法。有一些变化在整个纳米细胞浓度和溶解分数(数据1和2)。金属浓度一般高于前者,可能是由于更大程度的金属释放通过酸消化法和/或损失,可能发生在溶解产物的过滤。金属在细胞膜中发现分数在过滤删除也可以占损失,特别是铜和锌胞质浓度已被证明是严格控制的,与这些金属的大部分包裹着各种存储直到需要的蛋白质(29日- - - - - -31日]。

4所示。讨论

无视铁和锰,微量金属的趋势大肠杆菌有氧和无氧纳米实验几乎是相同的。金属的浓度在所有实验中对这种细菌的范围来μ细胞(g /数据1和2)。基于这些观察,金属丰度的大肠杆菌不管有氧或无氧的增长是铁>锌>锰、铜>莫>镍> W >有限公司类似的微量金属模式测量金属的大肠杆菌之前报道了metallome Outten和O ' halloran [30.]。在这个研究中,最小和富媒体利用近似的纳米和HM实验,分别在这项研究中。嗯裂解数据如图S2。一般来说,金属配额在这两项研究报道非常类似的微小差异可能是由于不同的培养技术或单个细胞溶解/实验方法。

微量金属浓度超嗜热生物实验的范围来μg /细胞。m . jannaschii显示一个明确的层次结构的金属浓度降低的顺序铁>镍>锌、有限公司> W铜>钼(图1)。再一次,p . furiosus有金属模式与其他微生物虽然这些都明显比的大肠杆菌。秩序的金属丰度p . furiosus将铁>锌>倪,W >铜、有限公司>莫(数据吗1和2)。

观察镍的浓度的增加p . furiosus在纳米实验。镍是一个必需的元素镍铁氢化酶,酶催化的三个主要类别的可逆氧化H₂。氢化酶被发现在大多数原核生物和多样化的新陈代谢。相反大多数氢化酶的催化活性进行了,这三个镍铁氢化酶中发现p . furiosus代中所有函数H₂当元素硫是缺席。这些酶不是biosynthesized的年代⁰(32]。单质硫通常用于生长的p . furiosus结果细胞减少年代⁰到H₂但年代⁰不是用于实验的工作。因此,镍浓度相对增加的观察这个细胞的生长在金属有限的实验可能是由于增加的清除和吸收所需的金属Ni以满足配额这些酶的表达。

一批研究记录的影响,效用,在现代环境中微量金属和生物过程之间的相互作用包括金属的生物地球化学循环(例如,16,33- - - - - -37]),风化过程(例如,38- - - - - -42)、矿产转换(例如,43- - - - - -47微生物新陈代谢(例如,[]),48- - - - - -54]),生物标志物(如[55- - - - - -59])。这样的作品也导致了更早期的地球上的生命的理解,当时的环境条件,这些系统的进化通过时间(例如,[3,7,60- - - - - -65年])。更常见的,微生物微量金属调查通常目标特定的细胞特征像酶(5,66年),代谢功能(53,67年]或其他进程,如优化增长收益或确定金属浓度下变量环境因素(例如,17,30.,52,68年])。除了专注于一个或两个特定的金属,这些研究通常涉及个别物种或类型的微生物大肠杆菌可能已经有一个图书馆的相关信息。

金属配额记录在海洋生物有许多影响包括影响增长率和影响两个主要和次要的生物地球化学循环的自然环境。例如,微量金属浓度的实验室调查,特别是在真核生物的海洋生物,已经表明,在一般情况下,扩展Redfield所代表的平均金属化学计量比成比例地监管在不同类群物种23,69年]。然而,它并不完全清楚这些数据代表了生物体的生理(生化)需要相对于经济增长的构成媒体,培养条件,或者生物之间的区别。一个成功的战略,已被用于解决metallome要求规定相关媒体组合是发展生物实验旨在探索增长较低限制的金属浓度(例如,70年,71年]),一个策略特别有用的生物相对容易在实验室中生长。此外,考试的金属吸收的变化在不同的生物体的组织可以通过增长实验利用相同的起始套件和金属的浓度。这种方法是利用在这个研究。

在目前的研究中产生的微量金属数据对于微生物metallomes贡献有价值的信息,特别是对古生菌。绝大多数metallomics文学是基于实验涉及真核浮游植物和硅藻等海洋生物(例如,69年,71年- - - - - -74年])。这些研究是理解的关键生物地球化学过程的无数的海洋,从控制初级生产力对海洋化学生物控制。最重要的一个是金属配额的决定是通过测量unchelated金属浓度的浓度范围。增长媒体等海洋生物通常使用螯合剂EDTA缓冲金属浓度;这种模仿生物的自然增长媒体(海水),也有利于最大增长率23]。EDTA是不用于本研究(不显示在[30.])。当然,一些金属的比例在我们的实验中被有机螯合配体富含有机物的媒体大肠杆菌和p . furiosus但大多数金属应该呈现不稳定生物复合物。半胱氨酸,也可以螯合金属,用于无机介质m . jannaschii但它的功能主要是作为还原剂和减少硫的来源。这也是一个比无机基质Na₂年代,它会导致金属沉淀少,在一些研究中,被证明能增加金属的生物利用度,增加溶解金属配合物的形成(75年]。

我们的数据显示金属配额一般监管范围的实验微量金属浓度和因此,至少部分取决于细胞需求并不是完全由增长媒体决定的。总值更是印证了这一观察比较基本模式中所有微生物纳米和HM(图S2)实验。丰富的数据大肠杆菌和p . furiosus在我们的研究中(图生产3)也与胞质金属离子的相对丰度数量决定Cvetkovic)等。76年同样的微生物。可以为类似的结论m . jannaschii跟踪元素成分相比,首次报道了谢勒et al。77年]。

细胞微量金属浓度无疑是受许多因素都可以影响细胞的metallome。许多这些因素发挥作用的增长和在特定的增长或环境条件下。例如,许多研究报告的好处增加适当的金属营养刺激经济增长和增加生物质(如,[52,53]),而其他的描述方法,增加金属生物利用度(例如,75年])。与真核生物的巨大文献不同的是,奢侈吸收研究微生物系统中是罕见的。存在的一些研究重点是营养素的吸收(C、N、P)而不是金属微量元素;例如,奢侈吸收的磷已经报道了沉积物细菌(78年)和产烷生物(79年]。额外的因素会影响metallome包括吸收和抑制各种金属可以替代或与其他金属的细胞功能。然而,最重要的标准影响金属吸收可能是由于生化需要(23]。充足的研究表明镍的需求和有限公司由产甲烷菌(例如,67年,80年]),而Cvetkovic)等。76年)发现小说Ni-protein Ni的特异性p . furiosus当表达大肠杆菌利用镍、锌、或公司当这个细胞生长与最丰富的媒介补充大量的这些金属之一,分别。在这项研究中,一个明显的倪和公司要求m . jannaschii已经观察到的以及需要倪p . furiosus。代谢的差异(例如,异养生物/自养生物,厌氧菌、需氧菌、嗜温菌/超嗜热菌)微生物来自同一物种之间也可以显示金属偏好的变化。例如,苗圃和渡轮80年报告帽不刺激经济增长m . methylutens但对另外两个产甲烷菌的生长发育非常重要。大肠杆菌在我们的研究中已增加浓度的铜、钼、镍、和公司(数字1和3当在厌氧但不是有氧条件下生长。总的来说,我们认为本文提供的数据对大多数金属代表个人metallomes微生物的研究。金属以不同组织的细胞值这些hyperthermophilic类群可能不同的一个或两个数量级为金属配额已被证明为其他生物(69年),因此,本研究报告的浓度可能代表这些微生物近似平均配额。

先前的研究[2,81年,82年]表明,细胞bioessential自由金属离子浓度的元素是有效地控制和维护在细胞质中以非常低的水平,在海洋中值与浓度。此外,这些浓度一直以来metallome系统在原始细胞进化出应对不同和特定微量金属的吸收和利用(1)微生物进化和(2),以应对不断变化的条件下金属可用性和浓度。例如,一个恒定的铁^{2 +}的浓度M是现代生物所需的(81年),被认为是需要在地球上生命的进化,即使条件改变了,气氛变得充氧。这个浓度是建立在生命早期的进化结果的因素,如丰富的铁浓度出现在主要是减少环境以及绑定常量金属细胞内部和外部建立海洋中(例如,2,62年,81年])。其他元素如锌和铜以前隐藏在预、sulfidic海洋随着无机硫化物沉淀氧化后更高的毒性浓度和微生物适应早期通过约束这些金属的胞质水平,< 10⁻¹⁰M和分别的锌和铜(81年]。相对于redox-sensitive海水浓度的铁、铜、钼、镍的浓度、Co和W可能没有多大变化通过地球的早期改变环境1]。后者更重要的是,这些金属可能仍可利用水平无论在海洋源输入等因素变化或封存由于改变氧化还原条件。

变化发生在地球早期的环境减少氧化州也允许微生物适应和利用之前不可用金属,在应对不断变化的环境的能力和/或优化代谢功能之前遇到的其他微量金属可以促进生物体的进化和辐射到新的栖息地。或者,某些早期微生物可能是限制居住网站专门由于氧化还原条件和转移不一定因为bioessential短缺的元素。钼和钨金属,特别是例证了这些想法。热环境像深海热液喷口是hyperthermophilic微生物的自然栖息地。这些环境,被认为是一个可能的“生命的摇篮”83年- - - - - -85年)的特点是减少条件和丰富的微量金属如W (13,86年,87年]。密苏里州和W的行为环境的不同是由于两种金属的氧化还原化学(88年]。由于这些属性,以及它的利用率在厌氧碳代谢和可能,高温酶稳定性(18,89年,90年),假设(例如,5W]),可能是生物学上可用,因此有更大的效用可于地球上原始的原核生物。相比之下,莫初预计用时海洋,只有实现了现代的丰度和生物状态后氧化的条件。

在现代环境中,莫是一个关键金属所需氮、硫和碳代谢,在别人。例如,Mo-containing固氮酶是最重要的三个酶进行固氮作用;另外两个(包含V和Fe)是低效,没有表达丰富,莫时,不完全使用任何已知的生物8]。此外,几个molybdo-and tungsto酶和同功酶存在;然而,“真正的”tungstoenzymes只能利用W只有在hyperthermophilic发现古生菌。有趣的是,类似莫酶是微生物中发现的大肠杆菌然而,W替换使酶活性(5]。符合所有这些研究,这项工作的结果表明W是更重要的比莫超嗜热菌,而相反的是正确的大肠杆菌。尽管数据集很小,可察觉的层次结构的金属为每个微生物了。丰富的微量金属的顺序表示的相对浓度,因此,效用的细胞,可以用来解释并提供支持这些微生物的进化和新陈代谢。

的三个微生物调查,最有前途的生命指标可能是metallome趋势观察hyperthermophilic产烷生物,m . jannaschii。如图3很高比例的镍,公司,甚至W是独特的细胞相比,metallome百分比和其他细胞的趋势。类似的数据模型基于metallome以前报道(27]。镍是专为进行甲烷生成所需的所有产甲烷菌。到目前为止,至少有三个已知的九Ni-dependent酶在产甲烷菌和两个绝对是至关重要的。Ni-containing代数余子式,F_430年MCR (methyl-coenzyme还原酶)催化甲烷生成的终端一步,减少一个甲基甲烷而CODH / ACS(一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶a合成酶)催化的氧化有限公司有限公司₂以及乙酰辅酶a的形成或退化91年]。代数余子式F_430年是独一无二的产甲烷菌,并没有发现任何其他有机体。有趣的是,hyperthermophilic产甲烷菌也包含另一个独家酶,W-containing FMDH (formylmethanofuran脱氢酶)催化的初始转换有限公司₂在甲烷生成的开始。Mo-containing FMDHs也发现一些嗜中温高温厌氧产甲烷菌(5]。

钴是另一个重要的微量金属新陈代谢有可能原始起源。维生素B12维生素B12代数余子式的金属被发现,在相同的酶家族Ni-containing F_430年和主要是利用厌氧代谢系统H₂、公司和ch₃组(1]。不足为奇了公司显示这样一个增强的浓度m . jannaschii。有两个复杂的通路新创氰钴胺素的合成:厌氧路线不需要氧气,氧气分子的有氧路线是必需的。这些系统只利用几组原核生物,不知道在真核生物(92年,93年]。事实上甚至微生物大肠杆菌只有诱导合成的维生素b12以及倪吸收在厌氧条件下(1,94年),在本研究中得到了明确的论证的证据。

5。结论

微量金属丰度的三个独特的微生物测定,目的是描述metallome内容,因此,金属利用率的细胞。金属浓度进行了分析从完整的细胞消化和细胞溶解产物从三个物理细胞裂解技术应用于hyperthermophilic古生菌和嗜中温细菌,大肠杆菌在有氧和无氧条件下,生长。结果显示metallome模式为每一个微生物,但独特的模式尤为明显hyperthermophilic产烷生物,m . jannaschii(铁>镍>锌> W,莫>铜)。潜在的生命指标也表明这种基于其独特的微生物代谢最有可能在很大程度上依赖和可用性存在的微量金属镍、Co和w .相比之下,金属利用率观察到的模式大肠杆菌(铁>锌>锰、铜>莫>镍> W >有限公司)是变量,可能是因为在不同生长条件下不同的酶的表达。异养的metallome超嗜热菌p . furiosus(铁>锌>倪,W >铜、有限公司> Mo)接近的m . jannaschii但显示金属使用的一些相似之处大肠杆菌。虽然不是绝对严格的,产生的数据在这个研究提供了一个估计微量金属基线评估未来metallome研究涉及古细菌和细菌组。

微量金属的生物利用度超过可能还通过时间不同微生物metallome观察到在现代现存细胞可能是设置的时间和环境,原始的海洋。进化的微生物可能利用金属环境变化的适应和吸纳更多可用金属特别是对改善代谢和/或细胞功能或作为一种生存的手段,可以促进他们的扩张进入新的环境和栖息地。相反,地球上的氧化还原环境的改变也可能直接影响早期生活无论对生物利用度的任何更改所需的元素。因此,微生物利用某些微量金属可能提供信息关于微生物群体的古代和演化以及新陈代谢。

确认

作者感谢张z和j . Kittleson的援助,和劳拉Liermann有用的评论。这项工作得到了国家航空和宇宙航行局(NASA)天体生物学研究所和美国国家航空航天局批准号NNG05GN50G基本能源科学和能源部办公室授予DE-FG02-01ER15209苏珊l .印出来。

补充材料

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