کشف مکانیسم های تنفسی پنهان باکتری های روده

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، دانشمندان مکانیسم های تنفسی پنهان باکتری های روده را کشف کردند.

در مطالعه ای که اخیراً در Nature Microbiology منتشر شده است، محققان از تکنیک استخراج ژنوم برای بررسی استفاده از گیرنده الکترون تنفسی در میکروبیوتای روده انسان استفاده می کنند.

تنفس هتروتروف شامل اکسیداسیون و انتقال الکترون است که یک گرادیان یونی برای تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) ایجاد می کند. ردوکتازهای تنفسی برای میکروارگانیسم ها لازم است تا از مواد شیمیایی بی هوازی اکوسیستم به عنوان گیرنده های الکترون مولد انرژی استفاده کنند.

میکروارگانیسم هایی که فاقد اکسیژن هستند از گیرنده های الکترون متناوب استفاده می کنند. متابولیسم تخمیر بر جامعه میکروبی روده بی هوازی تسلط دارد. با این حال، برخی از واکنش های متابولیسم تنفسی معمولی نیز رخ می دهد. باکتری های کاهنده سولفات از گیرنده های مختلف الکترون سولفات استفاده می کنند، در حالی که سلول های ایمنی گیرنده های الکترون را در روده ملتهب ایجاد می کنند.

در مطالعه حاضر، محققان یک روش تنفسی را با استفاده از ردوکتاز برای دسترسی به گیرنده های مختلف الکترون متابولیت توسعه دادند. در مجموع 1533 ژنوم مونتاژ شده با متاژنوم از پروکاریوت های مختلف روده انسان مورد بررسی قرار گرفت تا مشخص شود که آیا میکروب های روده با تعداد زیادی ردوکتاز برای هر ژنوم می توانند تنفس کنند یا خیر.

برای این منظور، سویه های E.lenta، S. wadsworthensis و H. filiformis برای تجزیه و تحلیل انتخاب شدند. ترکیبات با کیفیت پذیرش الکترون در دستگاه گوارش، علاوه بر اهداکنندگان الکترون تنفسی مشترک، برای ظرفیت آنها برای تحریک رشد وابسته به urocanate مورد بررسی قرار گرفت.

سیزده ردوکتاز نوع فلاوین شناسایی شده در تحقیقات پروتئومی و ترانسکریپتومی به صورت نوترکیب برای بررسی اینکه آیا الگوهای بیان ژن ممکن است انتخاب سوبسترای آنزیم را پیش بینی کند، تولید شدند. با توجه به بازده کم ردوکتاز ناشی از ایتاکنات (IrdA) در E. lenta، دو ارتولوگ نزدیک مرتبط از IrdA از Berryella wangjianweii و Adlercreutzia muris بیان شد. ردوکتازهای خالص در برابر گیرنده های الکترون شناخته شده نیز مورد آزمایش قرار گرفتند.

ارتباط بین تکامل ردوکتاز و ویژگی سوبسترا با استفاده از فلاوین ردوکتاز از ژنوم H. filiformis، S. wadsworthensis و E. lenta مورد بررسی قرار گرفت. تحقیقات مکانیکی برای کشف مسیرهای تکاملی متمایز که ممکن است منجر به ردوکتازها با ویژگی های سوبسترای سینامات برابر شده باشد، انجام شد.

سه خانواده باکتری روده انسان از نظر طبقه بندی متفاوت Erysipelotrichaceae، Burkholderiaceae، و Eggerthellaceae با زرادخانه ای از آنزیم های ردوکتاز مانند تنفسی شناسایی شدند. در مجموع 22 ترکیب برای پذیرش الکترون های تنفسی به روش های گونه ای خاص با غربالگری گونه های هر خانواده باکتری، از جمله Holdemania filiformis، Sutterella wadsworthensis و Eggerthella lenta استفاده شد. این فرآیندها تبدیل متابولیت های مختلف میزبان و رژیم غذایی از جمله ترکیبات مفید ایتاکونات و رسوراترول را کاتالیز می کنند.

محصولات متابولیسم های تنفسی شناخته شده، مانند 2-متیل سوکسینات به دست آمده توسط ایتاکونات، مولکول های ناشناخته را برجسته می کند. پروفایل سوبسترای ردوکتاز جفت های آنزیم-سوبسترا را مشخص می کند و تصویر پیچیده ای از توسعه ردوکتاز ارائه می دهد، بنابراین نشان می دهد که ردوکتازهای خاص برای سوبستراهای مشابه سینامات به طور مستقل چهار بار یا بیشتر تکامل یافته اند. باکتری های دوردست زرادخانه های ردوکتاز وسیعی را رمزگذاری می کنند که اکثر ردوکتازهای تنفسی فلاوین و مولیبدوپترین دارای یک پپتید سیگنال ترمینال N هستند که نشان دهنده مکان خارج سیتوزولی است.

در خانواده Actinobacteria Eggerthellaceae، Proteobacteria خانواده Burkholderiaceae، و Firmicutes خانواده Erysipelotrichaceae، کلادهای با ردوکتاز بالا شامل سه کلاد مجزا هستند که جنسهای زیادی را در بر می گیرند. این کلادهای ردوکتاز بالا متشکل از باکتری هایی با بیش از 200 ردوکتاز برای هر ژنوم و الگوهای سود و زیان ردوکتاز پیچیده است که در نتیجه تاریخچه تکاملی پیچیده ای را نشان می دهد.

رشد تنفسی در باکتری هایی مشاهده شد که یک ردوکتاز فلاوین با بیش از 50 درصد تشابه توالی به یک اوروکانات ردوکتاز تنفسی (UrdA) که قبلاً شناسایی شده بود و در ژنوم هر سویه کدگذاری شده بود، مشاهده شد. الگوهای مصرف خاص گونه نیز برای چندین نوع بستر مشاهده شد.

سوبستراها و محصولات ردوکتاز در مدفوع، با مواد شیمیایی مختلف در نمونه های موش و انسان یافت شد، اگرچه در گروه های تحت درمان با آنتی بیوتیک مقادیر کمتری داشتند. گیرنده های الکترون تنفسی ترجیحاً سینامات ردوکتاز را در H. filiformis و E. lenta تحریک می کنند، بنابراین پیچیدگی تکاملی خود را نشان می دهند.

توزیع جغرافیایی فعالیت ردوکتاز منعکس کننده یک تاریخ پیچیده است، از جمله ردوکتازهای سینامات که ارتباط پیچیده بین انتخاب سوبسترا و توالی اسید آمینه را نشان می دهد.

مولکول های آمینو اسید حفظ شده در مکان های فعال در سرتاسر کلادها برای فعالیت مورد نیاز بودند و طرح های مکان فعال منحصر به فردی را نشان دادند که به طور عملکردی ردوکتازهای سینامات را از هم جدا می کردند. ردوکتازهای فلاوین با ویژگی سوبسترای مشابه با تفاوت های عملکردی خاص از طریق فرآیندهای تکاملی موازی ایجاد شدند. قرار گرفتن در معرض آنتی بیوتیک با طیف گسترده به طور قابل توجهی بر ترکیب میکروبیوم روده در نمونه هایی با بیش از 90 درصد فراوانی نسبی انتروکوک و پروتئوباکتریا تأثیر گذاشت.

یافته های مطالعه نوع جدیدی از تنفس بی هوازی را برجسته می کند که متابولیسم انرژی میکروبی را با متابولوم روده مرتبط می کند. میکروبیوم روده از ارگانیسم های مختلف با چندین آنزیم ردوکتاز تنفسی در ژنوم، متابولیسم های تنفسی و الگوهای استفاده وابسته به سویه تشکیل شده است. این شکل از تنفس ممکن است با مشارکت در تنظیم آنزیم ها و فاکتورهای رونویسی و همچنین فرآیندهای متابولیک و ایمونولوژیک برای روده بسیار مهم باشد.