Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 230 (2023) Citare questo articolo
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Un consorzio microbico termofilo, chemiolitoautotrofico e aerobico (chiamato carbonitroflex) che cresce in un mezzo povero di nutrienti e un'atmosfera contenente N2, O2, CO2 e CO viene studiato come modello per espandere la nostra comprensione dei sistemi biologici estremi. Qui mostriamo che il consorzio è dominato da Carbonactinospora termoautotrofica (ceppo StC), seguito da Sphaerobacter thermophilus, Chelatococcus spp. e Geobacillus spp. L'analisi metagenomica del consorzio rivela una relazione reciproca tra i batteri, con C. termoautotrofia StC che mostra carbossidotrofia e capacità di stoccaggio di anidride carbonica. C. termoautotrofia StC, Chelatococcus spp. e S. thermophilus ospitano geni che codificano per CO deidrogenasi e formiato ossidasi. Non sono state ottenute colture pure nelle condizioni di crescita originali, indicando che potrebbe essere necessario un metabolismo interattivo strettamente regolato per la sopravvivenza e la crescita del gruppo in questo sistema oligotrofico estremo. L'ipotesi del capofamiglia è proposta per spiegare il modello di flusso metabolico ed evidenziare il ruolo vitale di C. termoautotrofica StC (l'unica specie chiave di volta e produttore primario di carbonio) nella sopravvivenza di tutti i membri del consorzio. I nostri dati possono contribuire allo studio di interazioni complesse in ambienti estremi, esemplificando le interconnessioni e la dipendenza all’interno delle comunità microbiche.
Tutti i cicli biogeochimici coinvolgono la biosintesi microbica e i microbi possono promuovere sostanzialmente il sequestro dell’anidride carbonica e la fissazione dell’azoto1,2,3, che sono obiettivi sociali essenziali4. Tuttavia, i meccanismi associati alla formazione della biomassa, che coinvolge i loro complessi microbiomi, le complesse interazioni e le funzioni, non sono stati completamente chiariti; e comprendere questi meccanismi rimane una sfida importante5,6,7.
I consorzi microbici basati sugli ecosistemi oligotrofici possono servire da modelli per lo studio di processi biotecnologici complessi e quindi espandere la nostra comprensione dei sistemi biologici. I microrganismi cooperano tra loro per far fronte a varie condizioni, come la disponibilità limitata di nutrienti e/o lo stress8; tuttavia, condizioni ambientali estreme possono portare a interazioni altamente interdipendenti nei consorzi microbici. Anche i principali processi biogeochimici alla base della vita in questi sistemi possono essere compartimentalizzati. Una migliore comprensione di questa interdipendenza e delle modalità di interazione che guidano le interazioni della comunità microbica9 potrebbe portare alla scoperta di nuovi percorsi o geni10. Questa comprensione potrebbe eventualmente portare a nuove applicazioni biotecnologiche11,12 attraverso l'ottimizzazione e l'ingegnerizzazione di consorzi microbici per la produzione di biomolecole, biocarburanti e sequestro del carbonio3,13,14 e attraverso l'uso dei principi dell'ecologia microbica15. Questi progressi possono contribuire alla mitigazione di questioni cruciali, come il cambiamento climatico e la crescita della popolazione11,16,17.
Gli estremofili come i carbossidotrofi possono evolversi rapidamente per adattarsi ai cambiamenti dinamici che possono verificarsi in condizioni estreme, rendendoli così buone fonti di nuovi bioprodotti18. Gli studi sui consorzi oligotrofici che si sviluppano in condizioni estreme sono ideali per chiarire la chimica organica della (primitiva) vita sulla Terra o su altri pianeti/lune del sistema solare19,20.
In questo studio, un consorzio batterico termofilo e oligotrofico è stato arricchito con successo dal suolo; abbiamo studiato la composizione microbica della crescita batterica, per determinare se le condizioni estreme selettive hanno modellato il consorzio batterico arricchito e chiarire le collaborazioni tra i membri del consorzio per adattarsi alle condizioni difficili. Il consorzio, denominato carbonitroflex (CNF), è stato arricchito da un campione di terreno con una storia decennale di ripetuti incendi di erba (esposizione a lungo termine alle alte temperature e alla CO2 derivante dagli incendi).
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>
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