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Christoph Wrede Ulrike Walbaum,安德里亚·Ducki虹膜Heieren,迈克尔Hoppert, ”本地化Methyl-Coenzyme M还原酶作为不同的产甲烷古菌的代谢标记”,古生菌, 卷。2013年, 文章的ID920241年, 7 页面, 2013年。 https://doi.org/10.1155/2013/920241
本地化Methyl-Coenzyme M还原酶作为不同的产甲烷古菌的代谢标记
文摘
Methyl-Coenzyme M还原酶(MCR)作为甲烷生成的关键酶以及厌氧甲烷氧化都代表了一个重要的代谢标记过程微生物生物膜。这里的潜力MCR-specific多克隆抗体代谢标记在不同产甲烷古菌。标准实验室文化生长条件,酶的胞质本地化Methanothermobacter marburgensis,Methanothermobacter wolfei,产甲烷球菌属maripaludis,甲烷八叠球菌属mazei,在厌氧生物膜methane-oxidizing。增长nickel-depleted媒体限制条件下,在低文化的线性增长,50 - 70%的酶的一小部分本地化靠近细胞质膜,这意味着“兼”膜酶的协会。这个功能可能也有助于对生物膜微生物生存限制条件的评估。
1。介绍
Methyl-coenzyme M还原酶(MCR)是最后的关键酶,甲烷生成methane-forming一步。酶催化作用的还原乳沟methyl-coenzyme M (CoM-S-CH3)使用辅酶B (HS-CoB)作为还原剂,结果生产甲烷和heterodisulfide CoM-S-S-CoB。虽然涉及酶复合物以及反应物之间的不同Methanosarcinales,Methanobacteriales,产甲烷菌和其他组织,基本反应步骤类似,需要几个membrane-dependent步骤(见[1,2]审查)。methyl-coenzyme M催化了一个亚基的形成(MtrE)膜结合的复杂(N5-methyl-tetrahydromethanopterin:辅酶M甲基转移酶)和通过电化学钠加上节能潜力穿过细胞质膜(见[3]审查)。再生的还原剂HS-CoB heterodisulfide带来的酶还原酶。HS-CoB的再生,减少需要等价物,提供的氢化酶和/或脱氢酶。减少的等价物是引导通过膜结合电子传递链的酶或直接转移氢化酶heterodisulfide还原酶。反应也耦合化学渗透假说的机制,导致ATP的生成通过H+可能性(4- - - - - -6]。像MtrE, heterodisulfide还原酶是一种膜结合复杂的一部分。methyl-coenzyme米本身不是membrane-dependent还原酶反应步骤。酶已被纯化产甲烷古菌的胞质分数,本地化immunoelectron显微镜在细胞质中。催化的反应并不取决于膜的准备工作(7- - - - - -11]。然而,大量的实验表明,有一定亲和力的酶膜(12,13]。MCR的Methanothermobacter marburgensis位于细胞质膜受到nickel-depleted增长条件。还泡准备的电子显微镜Methanobacteriales和甲烷八叠球菌属表明,至少MCR是膜相关的一小部分。从这些数据,推断MCR可能部分膜结合酶复杂(14,15]。
相反的过程,甲烷厌氧氧化,反向操作产甲烷途径已经假定,MCR的结构非常相似的规范化酶(16- - - - - -18]。在假设路径,膜绑定不一定是必需的。然而,随着甲烷生成的膜协会也可能的优势,因为甲烷生成的membrane-dependent过程一样是可能(17,19]。
在甲烷细菌属thermoautotrophicum,两个不同的本地化的MCR可能已经显示(13]。在我们的研究中,我们表明,这些结果也适用于其他产甲烷菌,我们将讨论这些结果的关键酶的immunolocalization MCR环境生物膜的研究。
2。材料和方法
Methanothermobacter marburgensis(DSM 2133年以前甲烷细菌属thermoautotrophicum、应变马尔堡),Methanothermobacter wolfei(DSM 2970年以前甲烷细菌属wolfei),产甲烷球菌属maripaludis2067年(DSM)种植autotrophically[描述20.- - - - - -23]。甲烷八叠球菌属mazei(DSM 3318年以前甲烷八叠球菌属frisia),甲烷八叠球菌属mazei3647年(DSM)种植heterotrophically [24,25]。Nickel-limited媒体没有包含在微量元素镍盐的解决方案和补充了多达200毫米乙酰丙酸(cf表1)。immunolocalization,细胞生长在批处理文化与近似线性增长25至45 h(表翻倍1)。细胞中断了与法国在1500磅/细胞操作压力2在15000年和随后的离心分离在4°C g 25分钟为了去除细胞碎片。上层清液是用于免疫印迹(见下文)。蛋白质纯化、细胞Methanothermobacter marburgensis是生长在14 l-fermenters倍增时间为2.9 h指数相中的矿物盐介质和连续和h吹嘘吗2/公司2(80% / 20%,v / v)作为描述(20.]。净化MCR根据执行(7]。纯化蛋白(MCR,即同种型我methyl-coenzyme M还原酶,人物1)是用于生产的多克隆抗血清26]。蛋白纯度和特异性的抗血清检测SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳和免疫印迹27- - - - - -29日]和immunolocalization控制实验(见下文,30.])。根据[蛋白质分析进行31日]。
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环境样品methane-oxidizing生物膜得到和处理所述(32,33]。巡航期间微生物垫样品收集在2001年与俄罗斯R / V“Logachev教授”从甲烷冷泉区域位于西北的架子(克里米亚货架)在黑海地区。材料透射电子显微镜和免疫荧光分析化学固定在4.0% (w / v)甲醛溶液和保持在4°C 100毫米PBS(磷酸盐、pH值7.0)。样本洗几次在PBS和固定在0.3% (v / v)解决方案的glutardialdehyde和0.5% (w / v)甲醛在PBS 2 h在4°C。样品被洗了三次在PBS补充10 mM对羟苯甘氨酸。见下文为后续脱水和树脂包埋。
活跃的文化是化学固定厌氧通过添加0.2% (v / v)解决方案的glutardialdehyde和0.3% (w / v)在厌氧条件下甲醛活跃的文化。在4°C孵化2 h后,三次文化是离心10分钟为9.000g和resuspended在PBS补充10毫米对羟苯甘氨酸。熔融琼脂(2%,w / v, 50°C)被添加到一个平等resuspended颗粒的体积。充分混合后,样品被允许凝固。
随后,生物膜样品和样本脱水agar-embedded文化。对于脱水,一个提升甲醇系列是使用(30.:15% (v / v), 30%为15分钟,50%,30分钟为75%,90%,100% 1 h。温度是先后降低到−35°C(在0°C步骤:15%,30%,50%,−20°C,和所有其他步骤−35°C)。样本然后孵化Lowicryl K4M树脂稀释的甲醇(1:3,1:2,3:1;Lowicryl树脂从电子显微镜获得科学,哈特菲尔德,PA,美国),其次是孵化在纯树脂1 h每一步,然后一夜之间。块被转移到小明胶胶囊(龙门,位于德国)含有纯树脂和聚合了至少48小时−35°C和3 d在室温下紫外线。
超薄的部分修剪标本(80 - 90 nm)与玻璃刀切Reichert荣格FC 4超微切片机(徕卡微系统公司,位于德国)。部分被转移到Formvar-coated网格(30.]。
TEM免疫细胞化学,电网被部分朝下,30分钟滴3% (w / v)牛血清白蛋白(BSA)在PBS,然后对anti-MCR 2 h抗体(1毫克的蛋白质/毫升;在PBS稀释)。消极的控制由孵化PBS的网格没有抗体。
网格被孵化然后洗(两次5分钟)滴PBS含有0.05% (v / v)渐变20和孵化(5分钟)PBS没有渐变,紧随其后的是一个1 h孵化一步在二级抗体(山羊anti-rabbit IgG-10纳米黄金共轭;英国Biocell国际有限公司、卡迪夫、英国)。二次抗体用于1:80稀释(在同一个解决方案作为主要用于相应的抗体)。再一次,两个5分钟洗步骤与PBS含有0.05% (v / v)渐变20日和PBS进行一步,紧随其后的是洗10年代脱盐的蒸馏水。Poststaining执行4% (w / v)醋酸双氧铀溶液为3分钟。所有步骤都是在室温下进行的。
电子显微图被校准的放大,飞利浦EM 301透射电子显微镜(飞利浦、埃因霍温、荷兰)在传统的明视场模式和Jeol JEM 1011 (Jeol、决定、德国)配备Gatan Orius SC1000 CCD相机(Gatan,慕尼黑,德国)。增强的金颗粒直径5 nm,图像处理如下。高通滤波应用于抑制低空间频率,也就是说,光滑的大型图像组件对比梯度。经过调整的对比水平拉伸强度直方图、图像被转换的灰度阈值100。在黑白图像,粒子大于7纳米和小于4纳米(原始大小)消除。由此产生的图像描述5纳米金粒子在纯粹的黑白对比。粒子尺寸增大了2.5倍,允许更容易识别。这些图像与原始的合并时,更高的最后对比(图2 (b)插图)。图像处理与美国国立卫生研究院进行图像软件(国立卫生研究所;参见[30.,34])。统计分析,20个随机选择的细胞数。25纳米金标记的(原始大小)内部或外部的细胞质膜被称为“膜相关”;所有其他标记细胞内被称为胞质。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。结果与讨论
明显的亚基分子量(:65 kDa,:49 kDa,:38 kDa)纯化methyl-coenzyme M还原酶对应MCR我同工酶的亚基分子量Methanothermobacter marburgensis(35]。这个同种型主要在H2和有限公司2供应低和增长限制(11]。西方墨点法原油提取,准备从细胞也被用于immunolocalization,显示抗血清检测蛋白质乐队来自不同产甲烷菌。这些乐队的表观尺寸对应的预期分子量和MCR的亚基。在某些情况下,最小的(亚基是可见的(图)1)。相同的模式已经被证明为MCR从厌氧微生物垫(methane-oxidizing提取得到36]。的亚基的MCR是更少的免疫原性和生产较弱或无信号(图1;(8,15])。在一些西方的墨迹,第二个乐队在67 kDa的范围可能占MCR的存在同工酶II(捷运)在小数量。这种酶展品略小子单元和一个33 kDa的亚基(35]。捷运是隔绝Methanothermobacter marburgensis(35)和其他Methanobacteriales和Methanococcales,但还不是Methanosarcinaceae(35,37- - - - - -40]。hydrogenotrophic产甲烷菌的研究是在批量培养基质有限的可用性。因此,它可能会对那些包含的产甲烷菌,在类比Methanothermobacter marburgensis,两个methyl-coenzyme M还原酶,MCR同工酶我是占主导地位的11]。
Immunolocalization MCR的甲烷八叠球菌属mazei(DSM 3318年以前甲烷八叠球菌属frisia;图2 (b)),产甲烷球菌属maripaludis(图2 (d)),甲烷八叠球菌属mazei(DSM 3647;图3 (b)),Methanothermobacter marburgensis(图3 (e)),Methanothermobacter wolfei(图3(我))生长在媒体没有损耗的镍表明MCR抗原分布在整个细胞。为autotrophically增长Methanothermococcus thermolithotrophicus(DSM 2095年以前产甲烷球菌属thermolithotrophicus)和Methanolobus tindarius2278年(DSM),胞质本地化MCR已经被证明的33]。虽然大部分的生物测试没有长在nickel-depleted媒体,甲烷八叠球菌属mazei3647年(DSM),Methanothermobacter marburgensis,和Methanothermobacter wolfei长大后对媒体没有微量元素镍和增加0.2米乙酰丙酸(最终浓度)各自的标准生长介质。乙酰丙酸的生物合成抑制镍四吡咯代数余子式F430。这减少了,除了nickel-limitation MCR的表达(13,41]。在这种情况下,酶的分布改变;更高的MCR现在位于膜。表1总结了immunolocalization后获得的结果。统计错误的所有重要的单个细胞数是20%左右。因此,价值观表现出明显的趋势,但不是一个完全的价值。细胞的重新分配MCR标记最为明显Methanothermobacter marburgensis(数据3 (f)和3 (g))。有机体可能被视为参考我们的实验中,类似的结果以来前面描述的(13]。也m . wolfei和m . mazei3647 (DSM)显示黄金标记(数据的再分配3 (c)和3 (j))。虽然效果不太明显的比m . marburgensis;50 - 60%的标记可能位于膜。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
样本来自不同层的多层厌氧微生物垫methane-oxidizing32,36]显示不同的甲烷氧化古菌mophotypes [33]:ANME-1古生菌丝状微生物,有关Methanomicrobiales并主导pink-coloured层的微生物垫,而ANME-2古生菌的最外层黑色层有关Methanosarcinales(42,43]。Immunolocalization MCR的形态类型密集的胞质标签(数字显示4(一)和4 (b))。在这方面,MCR的表达可能不是有限的环境生物膜。
(一)
(b)
根据所有可用生化数据,膜协会MCR没有必要功能。然而,本地化的可溶性酶膜附近是有利于整个通路,特别是当这种酶产量是有限的。膜绑定是显而易见的,因为之前已经声明(13),当经济增长限制MCR的合成条件。推定地,反应物的扩散路径短,甲烷生成的最后一步是更有效。我们可以显示这个功能并不局限于m . marburgensis但似乎对相关m . wolfei以及过去的遥远m . mazei和也可以预期相关methane-oxidizing古生菌。因此酶可能是一个有趣的例子“兼”膜蛋白质协会,与膜结合的某些功能,但是没有一个特定的membrane-dependent代谢机制(44]。环境过程的酶膜的位置可能是生理状态的一个间接指标,在我们的例子中为nickel-limited条件和代数余子式生物合成减少。根据这一假设,这似乎没有理由ANME-1 ANME-2,突出AOM-performing微生物垫从黑海(cf数据4(一)和4 (b))。标记的图像显示致密细胞质本地化,占nonlimited酶的生产。
确认
这部分工作是支持的德意志Forschungsgemeinschaft(格兰特Ho 1830/2-1)。我们也承认支持开放获取出版基金的哥廷根大学。这是一个新闻研究中心地球生物学刊物。
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