Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 230 (2023) Citar este artigo
4093 Acessos
28 Altmétrico
Detalhes das métricas
Um consórcio microbiano termofílico, quimiolitoautotrófico e aeróbico (denominado carbonitroflex) crescendo em um meio pobre em nutrientes e uma atmosfera contendo N2, O2, CO2 e CO é investigado como um modelo para expandir nossa compreensão de sistemas biológicos extremos. Aqui mostramos que o consórcio é dominado por Carbonactinospora thermoautotrophya (cepa StC), seguido por Sphaerobacter thermophilus, Chelatococcus spp., e Geobacillus spp. A análise metagenômica do consórcio revela uma relação mútua entre as bactérias, com C. thermoautotrofica StC exibindo carboxidotrofia e capacidade de armazenamento de dióxido de carbono. C. thermoautotrofica StC, Chelatococcus spp. e S. thermophilus abrigam genes que codificam CO desidrogenase e formato oxidase. Nenhuma cultura pura foi obtida sob as condições originais de crescimento, indicando que um metabolismo interativo fortemente regulado pode ser necessário para a sobrevivência e crescimento do grupo neste sistema oligotrófico extremo. A hipótese do ganha-pão é proposta para explicar o modelo de fluxo metabólico e destacar o papel vital de C. thermoautotrofica StC (a única espécie-chave e produtora primária de carbono) na sobrevivência de todos os membros do consórcio. Nossos dados podem contribuir para a investigação de interações complexas em ambientes extremos, exemplificando as interconexões e dependências dentro das comunidades microbianas.
Todos os ciclos biogeoquímicos envolvem a biossíntese microbiana, e os micróbios podem promover substancialmente o sequestro de dióxido de carbono e a fixação de nitrogênio1,2,3, que são objetivos sociais essenciais4. No entanto, os mecanismos associados à formação de biomassa, que envolvem os seus microbiomas complexos, interacções intrincadas e funções, não foram completamente elucidados; e a compreensão desses mecanismos continua sendo um grande desafio5,6,7.
Consórcios microbianos oligotróficos baseados em ecossistemas podem servir como modelos para a investigação de processos biotecnológicos complexos e, assim, expandir nossa compreensão dos sistemas biológicos. Os microrganismos cooperam entre si para lidar com diversas condições, tais como disponibilidade limitada de nutrientes e/ou stress8; no entanto, condições ambientais extremas podem levar a interações altamente interdependentes em consórcios microbianos. Os principais processos biogeoquímicos subjacentes à vida nestes sistemas também podem ser compartimentados. Uma melhor compreensão desta interdependência e dos modos de interação que impulsionam as interações da comunidade microbiana9 pode levar à descoberta de novos caminhos ou genes10. Esse entendimento pode eventualmente levar a novas aplicações biotecnológicas11,12 através da otimização e engenharia de consórcios microbianos para produzir biomoléculas, biocombustíveis e sequestro de carbono3,13,14, e através do uso dos princípios da ecologia microbiana15. Estes avanços podem contribuir para a mitigação de questões cruciais, como as alterações climáticas e o crescimento populacional11,16,17.
Extremófilos como os carboxidotróficos podem evoluir rapidamente para se ajustarem às mudanças dinâmicas que podem ocorrer sob condições extremas, tornando-os assim boas fontes de novos bioprodutos . Estudos de consórcios oligotróficos que se desenvolvem sob condições extremas são ideais para elucidar a química orgânica da vida (inicial) na Terra ou em outros planetas/luas do sistema solar .
Neste estudo, um consórcio bacteriano termofílico e oligotrófico foi enriquecido com sucesso a partir do solo; investigamos a composição microbiana do crescimento bacteriano, para determinar se as condições seletivas extremas moldaram o consórcio bacteriano enriquecido e elucidamos as colaborações entre os membros do consórcio para se ajustarem às condições adversas. O consórcio – denominado carbonitroflex (CNF) – foi enriquecido a partir de uma amostra de solo com um histórico de décadas de queimadas repetidas de grama (exposição de longo prazo a altas temperaturas e ao CO2 dos incêndios).
3 years. The cell agglomerates (floating white pellicles) were consistently observed after 3–21 days in all replicates for >3 years, with electron microscopy. Filamentous bacteria containing intracellular spores were observed in association with a smaller number of single-celled cocci and bacilli. These microbes appeared to be closely attached to each other (Fig. 1d), with bacilliform bacteria being attached beneath the filamentous cells. Several spore-like structures directly bound to the bacterial cell filaments were also observed (Fig. 1e). Images obtained using SEM revealed the presence of a cell lining, which was possibly a bridge of unknown material linking the cells (Fig. 1f). Remarkably, highly symmetrical bacterial microcompartments (BMCs)/carboxysome-like structures in the cellular cytoplasm were also noted (Fig. 2). Interestingly, regularly shaped clusters were noted in the cellular cytoplasm. These diamond-shaped clusters appeared in several images and in different sizes (probably due to the block cutting at different heights). Genomic data indicated (see below) that these might be carboxysome-like structures, which are bacterial microcompartments that concentrate carbon-fixing enzymes and play an essential role in the carbon fixation process21./p>99.5% of the 1,032,456 metagenomic reads obtained from CNF were taxonomically assigned. The results indicated that the consortium comprised 4 bacterial species (Fig. 3). There was no evidence of the presence of other prokaryotes or fungi. The most abundant reads (approximately 80%) observed in the consortium metagenome belonged to an Actinobacterium that was identified as closely related to Carbonactinospora thermoautotrophica22, followed by a Chloroflexum related to Sphaerobacter spp. (9% of reads), a Proteobacterium (8% of reads) related to Chelatococcus spp., and a Firmicute (2% of reads) related to Geobacillus spp. (Fig. 3a). The phylogeny of the Barrnap-extracted gene rrs is shown in Fig. 3b. Notably, two different contigs aligned with C. thermoautotrophica sequences, indicating that this strain (C. thermoautotrophica St_consortium [StC]) harbored two taxonomically independent rrs genes (StCopy1 and StCopy2). A high degree of difference (>6%) was observed between the rrs genes of C. thermoautotrophica StC./p> 95% completeness. A cutoff of 1% was used, thereby indicating that any read belonging to any other species was <1% of the total reads. This finding was supported by plating, where no growth was observed. Using BRIG and DNAPlotter software and BLASTN program, the contigs belonging to each consortium member were represented in a circular form and mapped to the reference WGS (UBT1 and H1 for C. thermoautotrophica, DSM207045 for Sphaerobacter spp., DSM18167 for Chelatococcus spp., and DSM13240 for Geobacillus spp.) (Fig. 4a–c). Metagenomic reads were also mapped (Fig. 3d) for the previously isolated and sequenced Geobacillus sp. LEMMY01 genome23 (Fig. 4d)./p>3 years) indicated that the organisms are either complementing each other’s metabolism or are benefiting from the secondary metabolites from different players./p>6%) between rrs copies in C. thermoautotrophica StC has also been reported in other Actinobacteria, and supports our taxonomic identification because this is a common characteristic of C. thermoautotrophica22,24./p>15 years (Supplementary Fig. 1A, B). The soil samples were immediately transported to the Molecular Microbial Ecology Laboratory (LEMM), Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brazil. A control soil sample was collected from a nearby site with no history of burning. The physical and chemical properties of all soil samples were determined in triplicate, using standard laboratory protocols41,42./p> 1 month of incubation; moreover, we were unable to revive glycerol stocks after freezing at temperatures of −80 °C and −20 °C. The cell cultures in the N-FIX medium were maintained in an oven at 55 °C and reinoculated with fresh medium every 2 weeks. Of the original soil samples, microbial growth was observed in only three flasks containing the mineral soil medium for autotrophs43 and in only one flask containing the N-FIX medium. The cultures showing growth were then individually replicated in several flasks, and at least three replicates were kept alive for the duration of the experiment. The control soil samples showed no microbial growth during the same incubation period. For subsequent analyses, the replicates were combined to improve biomass recovery./p>1200 bp derived from culturable microorganisms). The five most similar matches were selected for each contig and gene and aligned using the MUltiple Sequence Comparison by Log-Expectation software (version 3.8.31). Phylogenic reconstruction was performed with MEGA-756, using the maximum likelihood method and the Tamura–Nei distance model57 with 1000 bootstrap replications./p>
Português
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
日本語
한국어
Русский
Lar