Недооцененная роль предшественника биотина для морских бактерий

Журнал ISME, том 16, страницы 2599–2609 (2022 г.) Процитировать эту статью

2034 Доступа

1 Цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

Биотин (витамин B7) участвует в широком спектре важнейших биохимических реакций и является важнейшим микроэлементом, жизненно важным для многих про- и эукариотических организмов. Немногочисленные измерения биотина в мировом океане показывают, что его доступность подвержена сильным колебаниям. Многочисленные морские микроорганизмы проявляют ауксотрофию биотина и поэтому полагаются на его снабжение другими организмами. Дестиобиотин является основным предшественником биотина и недавно был обнаружен в морской воде в концентрациях, аналогичных биотину. Последняя ферментативная реакция пути биосинтеза биотина превращает дестиобиотин в биотин посредством биотинсинтазы (BioB). Однако роль дестиобиотина как предшественника синтеза биотина в микробных системах в значительной степени неизвестна. Здесь мы экспериментально демонстрируем, что бактерии могут преодолеть ауксотрофию биотина, если они сохраняют ген bioB и доступен дестиобиотин. Геномный поиск 1068 бактерий предсказывает, что потенциал биосинтеза биотина сильно различается среди разных филогенетических групп и что 20% кодируют исключительно bioB и, таким образом, потенциально могут преодолеть ауксотрофию биотина. Многие актино- и альфапротеобактерии не могут синтезировать биотин de novo, но некоторые обладают только bioB, тогда как подавляющее большинство гаммапротеобактерий и флавобактерий обладают четырьмя последними важными генами синтеза биотина. У прототрофной бактерии Vibrio Campbellii мы обнаружили высокие внутри- и внеклеточные концентрации предшественника по отношению к биотину, при этом внеклеточное содержание дестиобиотина достигало 1,09 ± 0,15*106 молекул на клетку при экспоненциальном росте. Наши результаты доказывают экологическую роль дестиобиотина как пути бегства для преодоления ауксотрофии биотина для бактерий в океане и, предположительно, в других экосистемах.

Биотин (витамин B7) является важным коферментом, участвующим в многочисленных биохимических реакциях как у прокариот, так и у эукариот. Биотин-зависимые ферменты катализируют реакции карбоксилирования, такие как пируваткарбоксилаза, пропионил-КоА-карбоксилаза, ацетил-КоА-карбоксилаза или β-метилкротонил-КоА-карбоксилаза. Эти незаменимые реакции участвуют в глюконеогенезе, синтезе жирных кислот и катаболизме аминокислот [1,2,3]. У бактерий обнаружены еще две биотинзависимые карбоксилазы: мочевиноамидолиаза, позволяющая бактериям использовать мочевину в качестве источника азота, и геранил-КоА-карбоксилаза, участвующая в катаболизме изопреноидов [4]. В основе пути биосинтеза биотина лежит синтез пимелоил-КоА, который может быть получен различными метаболическими путями [4] с последующим последовательным действием четырех ферментов: 8-амино-7-оксононаноатсинтазы (BioF), аденозилметионин-8- амино-7-оксононаноатаминотрансфераза (BioA), дестиобиотинсинтаза (BioD) и биотинсинтаза (BioB), которые превращают пимелоил-КоА в биотин [5, 6]. Завершающая ферментативная реакция включает внедрение атома серы между насыщенными положениями С6 и С9 дестиобиотина, который, как полагают, происходит из цистеина [7] (рис. 1). Текущие оценки, основанные на экспериментах по культивированию, показывают, что 90 процентов всего эукариотического фитопланктона являются биотиновыми прототрофами [8,9,10]. Несмотря на важность биотина и доступность бактериальных геномов для оценки метаболических путей, потенциал биосинтеза биотина в морских бактериях остается в значительной степени неуловимым. В предыдущих исследованиях только bioB, ген, кодирующий окончательное превращение дестиобиотина в биотин, рассматривался для классификации потенциала биотинового пути морских бактерий. Эти анализы показали, что некоторые морские представители Alphaproteobacteria и Flavobacteriia не способны синтезировать биотин, тогда как большинство морских гаммапротеобактерий являются биотиновыми прототрофами [10]. Однако оценки потенциала биотинового пути в бактериальных сообществах с учетом всех четырех генов биотинового пути, например, в кишечнике человека, показывают, что большое количество бактерий проявляют ауксотрофию биотина, однако восстановление предшественника биотина может играть важную роль [11].