Изучение разнообразия путей автотрофной ассимиляции углерода у термофильных прокариотНИР

Exploring the diversity of pathways of autotrophic carbon assimilation in thermophilic prokaryotes

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 января 2020 г.-1 февраля 2021 г. Изучение разнообразия путей автотрофной ассимиляции углерода у термофильных прокариот
Результаты этапа: В первый год выполнения проекта был проведён скрининг коллекции термофильных прокариот Отдела биологии экстремофильных микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН, в результате которого, был создан список термофильных микроорганизмов, для которых ранее была показана способность расти автотрофно, но не раскрыты параметры этого процесса, такие как скорость роста, скорость и пути ассимиляции углекислоты и др. Наибольший интерес представляли 4 микроорганизма (каждый из которых был ранее описан коллективом исполнителей проекта как представители новых таксонов): • Desulfothermobacter acidiphilus штамм 3408-1 • Thermus sp. штамм PS18 • Tepidiforma bonchosmolovskayae штамм 3753O • Deferribacter autotrophicus штамм SL50 В ходе работы над проектом у трех из них способность расти автотрофно была детально исследована как на уровне фенотипов, так и на уровне генотипов. Были проведены эксперименты по культивированию в автотрофных условиях и определению скоростей роста, а также потребления субстрата. Для Thermus sp. штамма PS18 автотрофный рост также был подтвержден радиоизотопным методом по включению 14C-меченой углекислоты в органическое вещество клетки. В ходе работ по культивированию были улучшены протоколы приготовления сред и параметры культивирования, позволившие увеличить скорости автотрофного роста Геномы исследуемых микроорганизмов (кроме T. bonchosmolovskayae штамма 3753O, геном которого был секвенирован и собран в кольцевую хромосому ранее) были либо секвенированы либо досеквенированы с применением технологий Illumina и Oxford Nanopore, собраны до 1 хромосомы (за исключением Thermus sp. штамм PS18, который был собран до 3 скаффолдов), и аннотированы. Полученные геномные последовательности использовали для in silico реконструкции путей автотрофной фиксации CO2 у этих микроорганизмов. У всех них были обнаружены либо недавно описанные новые модификации обратимого ЦТК (roTCA) или цикла Кальвина, а у T. bonchosmolovskayae штамма 3753O предполагается абсолютно новый путь ассимиляции СО2.
2 1 июня 2021 г.-10 февраля 2022 г. Изучение разнообразия путей автотрофной ассимиляции углерода у термофильных прокариот
Результаты этапа: На второй год проекта была проведена экспедиция на полуостров Камчатка, в кальдеру вулкана Узон, в ходе которой были отобраны пробы воды и осадков гидротерм для выделения чистых культур автотрофных микроорганизмов, поставлены in situ накопительные культуры, а также зафиксирована ДНК для молекулярно-экологических исследований. Помимо этого, в воде трех модельных гидротерм (с температурами 56-75С) была определена скорость темновой автотрофной ассимиляции углекислоты. Было показано, что микробные сообщества воды гидротерм кальдеры вулкана Узон активно фиксируют углекислоту, что было показано впервые т.к. раньше подобные исследования проводились на осадках горячих источников, которые хуже отображают именно автотрофную компоненту сообщества поскольку в них доминируют гетеротрофы. В ходе молекулярно-экологических исследований было установлено, что за ассимиляцию углекислоты в воде кислых горячих источников ответственны аэробные хемолитоавтотрофные бактерии рода Hydrogenobaculum, аэробные серные бактерии рода Acidithiobacillus и анаэробные серо- и сульфатредуцирующие бактерии родов Desulfurella и Thermodesulfobium, в то время как в нейтральных источниках за автотрофную фиксацию СО2 отвечали факультативные анаэробные хемолитоавтотрофные бактерии рода Sulfurihydrogenibium, а также, возможно, представители нового филума ‘Ca. Acetothermia’ Помимо источников Камчатки были проанализированы профили микробных сообществ из ранее отобранных образцов горячих источников Северной Осетии. Среди доминирующих автотрофов в данных источниках можно отметить представителей родов Dissulfurispira, Annwoodia, Thiofaba, Thermodesulfitimonas, Sulfurospirillum, Dissulfurirhabdus, Carboxydocella и Thiobacter, что разительно отличается от результатов полученных нами на Камчатке. Из проб, отобранных в ходе экспедиции 2021 г., а также проб, отобранных ранее в гидротермах Северной Осетии, о. Кунашир и Сахалин, было выделено 12 чистых культур термофильных автотрофных прокариот. Наибольший интерес представляют штаммы 4228-t и SLA38, вероятно являющиеся представителями новых видов в родах Thermus и Moorella соответственно, а также штамм 3907-1Е, являющийся представителем нового рода в филуме Aquificae. Помимо этого, в отчётный период была продолжена работа с автотрофными термофильными прокариотами с предположительно новыми или модифицированными путями автотронфной ассимиляции углерода: Tepidiforma bonchosmolovskayae 3753O, Desulfothermobacter acidiphilus 3408-1, Deferribacter autotrophicus SL50 и Thermus sp. PS18. Для T. bonchosmolovskayae 3753O были улучшены протоколы приготовления сред и параметры культивирования, позволившие определить интенсивность ассимиляции углекислоты. Для D. acidiphilus 3408-1 было показано одновременное функционирование сразу двух путей фиксации СО2, обнаруженного ранее нами трансальдолазного варианта цикла Кальвина и пути Вуда-Льюнгдаля. Энзиматические эксперименты с ключевыми ферментами цикла Кальвина выявили высокую активность последних. При этом, с помощью протеомики, было выявлено, что температура не оказывает значительного влияния на вклад того или иного автотрофного пути в общую ассимиляцию углекислоты. Для D. autotrophicus SL50 по данным протеомного анализа была показана высокая экспрессия генов обратимого ЦТК в автотрофных условиях. Для Thermus sp. PS18 с помощью протеомного анализа были получены доказательства работы классического варианта цикла Кальвина и выявлена слабая экспрессия генов обратимого ЦТК, который также может вносить небольшой вклад в автотрофную фиксацию СО2. Таким образом, все задачи, поставленные на 2021 г. были выполнены, несмотря на то, что сотрудничество с немецким партнёром, по объективным причинам, ограничилось планированием тех или иных экспериментов и обсуждением результатов.
3 14 мая 2022 г.-17 января 2023 г. Изучение разнообразия путей автотрофной ассимиляции углерода у термофильных прокариот
Результаты этапа: Ранее, в 2021 году в период с 13 по 22 июля была проведена экспедиция на полуостров Камчатка, в ходе которой из наземных горячих источников Кальдеры Узон было отобрано 35 проб. Для отобранных проб было выполнено таксономическое профилирование микробных сообществ с помощью высокопроизводительного секвенирования (NGS) ампликонов участка V4 гена 16S рРНК (250 нт). Был показан и проанализирован состав сообществ кислых горячих источников с температурами выше и ниже 50°С, а также источников с рН выше 5,0. Микроорганизмы с автотрофным типом метаболизма доминировали в большинстве исследованных источниках. В рамках данной работы мы показали, что фототрофные прокариоты в гидротермальных системах Камчатки обитают только в теплых источниках с температурами ниже 50°С. В горячих источниках с температурами выше 50°С сообщество полностью состоит из хемотрофов. В большинстве исследованных в рамках данного проекта горячих источников на Камчатке (независимо от рН и температуры), как и в работах других авторов, было обнаружено большое количество некультивируемых архей. Помимо горячих источников Камчатки, пробы из которых были отобраны в ходе второго этапа по данному проекту, были проанализированы профили микробных сообществ из ранее отобранных образцов воды, фильтрованной воды, осадков и микробных матов горячих источников Северной Осетии. Были исследованы пробы из двух глубоких подземных термальных водоносных горизонтов (Бирагзанг и Урсдон) и одного наземного гидротермального поля с температурой воды в диапазоне 43-55°C. В общей сложности были обнаружены представители 50 филумов прокариот, причем бактерии полностью преобладали над археями. Ранее в горячих источниках кальдеры Узон с целью определения интенсивности автотрофной фиксации СО2 термофильными прокариотами были поставлены in situ эксперименты с радиоактивно меченным 14С-бикарбонатом. На заключительном этапе проекта нами были получены результаты с применением метода SIP (stable isotope probing), основанного на включении стабильного изотопа 13С-углерода в биомассу клеток (включая ДНК) автотрофных микроорганизмов в ходе роста на 13С-карбонате. ДНК СО2-ассимилирующих микроорганизмов становится обогащенной 13С, что позволяет отделить ее путем ультрацентрифугирования и сравнение профилей микробных сообществ после секвенирования такой тяжелой и необогатившейся 13С ДНК позволяет выявить микроорганизмов, осуществляющих автотрофную ассимиляцию СО2. Такой эксперимент был проведен на образцах воды горячего источника у ручья Изумрудный (проба 4229; рисунок 3). В последний год реализации проекта нами был получен метагеном пробы 4217, отобранной из кислого источника с многочисленными сине-зелёными обрастаниями по краям и расположенными под ними чёрными осадками. Согласно таксономическому профилированию по фрагменту гена 16S рРНК сообщество источника 4217 было представлено в основном эукариотами, при этом доля прокариот была незначительной. За время проведения проекта в чистые культуры было выделено 11 штаммов термофильных автотрофных бактерий и 1 штамм термофильной автотрофной археи из горячих источников Камчатки и других регионов России. Из пробы воды и осадка из Дагинского термального источника (проба А03, 33оС, рН 6,0-6,5), расположенного на северо-восточном побережье Сахалина, была получена чистая культура новой автотрофной термофильной бактерии Moorella sulfitireducens SLA38T и проведена ее полная фенотипическая и генотипическая характеристика. На заключительном этапе реализации проекта было продолжено in silico и in vitro исследование путей автотрофной ассимиляции углекислоты у четырех наиболее интересных чистых культур термофильных микроорганизмов из коллекции термофильных прокариот Отдела биологии экстремофильных микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН. Для Desulfothermobacter acidiphilus штамм 3408-1 было выполнено исследование влияния окислительно-восстановительного потенциала среды и содержания водорода в газовой фазе на выбор между путём Вуда-Льюнгдаля и трансальдолазным вариантом цикла Кальвина. Для Thermus sp. PS18 с помощью метода Nanopora была проведена окончательная сборка генома и получена кольцевая хромосома. Для Tepidiforma bonchosmolovskayae 3753O были измерены интенсивности ассимиляции H14СO3¯в динамике роста штамма 3753О в автотрофных и гетеротрофных условиях.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. тезисы конференции PERVYiJ_AVTOTROFNYiJ_PREDSTAVITEL_RODA_THERMODESULFOVIBRIO_… 32,5 КБ 14 августа 2022 [IKublanov]
2. Culture-Independent Survey of Thermophilic Microbial Communities of the North Caucasus 2021-Osetia-hot-springs--Toshchakov.pdf 2,4 МБ 4 июля 2022 [IKublanov]