Geobacter sulfurreducensのゲノムスケールでの変異解析により、呼吸と電極と鉄(III)酸化物の感知の分子機構が異なることが明らかになった

Genome Scale Mutational Analysis of Geobacter sulfurreducens Reveals Distinct Molecular Mechanisms for Respiration and Sensing of Poised Electrodes versus Fe(III) Oxides.

• Chi Ho Chan
• Caleb E Levar
• Fernanda Jiménez-Otero
• Daniel R Bond

抄録

は、有機酸の細胞内酸化を、電極と界面することができる細胞表面上のタンパク質の還元に結合することによって電流を生成します。この能力は、不溶性金属酸化物のような接触を必要とする他の細胞外電子受容体を呼吸させる細菌の能力に起因する。電極ベースの呼吸の遺伝的基盤を直接調べるために、我々は、可溶性フマル酸塩または電極を電子受容体として、成長のためのトランスポゾン挿入配列決定（Tn-Seq）ライブラリを構築しました。33,000個以上のユニークな挿入があり、平均9個/kbの挿入があるライブラリは、1回の実験で各遺伝子の適合性を評価することができた。1,214の異なるゲノム特徴における変異は、フマル酸による生育を阻害し、1つ以上の機能的ホモログの存在によりアノテーションでは解明されなかった270の遺伝子の重要性が決定された。標準水素電極（-0.1V）と標準水素電極（SHE）で成長した細胞のTn-Seq解析により、シトクロム、プロリンを豊富に含むタンパク質の処理系、感覚ネットワーク、細胞外構造、多糖類、代謝酵素をコードする遺伝子のサブセットにおける突然変異が同定され、これらの遺伝子は少なくとも見かけ上の成長速度の50％以上の低下を引き起こした。Tn-Seqにより同定された選択遺伝子の傷跡のない欠失変異体は、電極を用いた成長に重要な新しい仮説的なポーリン-シトクロムコンジット複合体（）を明らかにしたが、これはFe(III)酸化物の還元には必要とされなかった。さらに、メチル受容性走化性-環状ジヌクレオチドセンシングネットワーク（）の構成要素を欠いた4つの変異体は、電極コロニー化には欠陥があったが、Fe(III)酸化物では正常に成長していた。これらの結果は、電極の認識、コロニー化、還元のメカニズムが鉄(III)酸化物とは異なることを示唆している。金属酸化物の電子受容体は不溶性であることから、細胞は電極上にバイオフィルムを形成して電気を作るのと同じ分子機構で金属を感知して還元しているのではないかという仮説が立てられました。しかし、電極に依存した呼吸を行っている何千ものトランスポゾン変異体を同時に比較することで、金属呼吸に必要とされない電極での成長をサポートする新しいサイトクロームと化学感覚タンパク質を発見しました。このことは、表面を認識し、金属酸化物を用いた成長とは異なるメカニズムで導電性バイオフィルムを形成するという新たなモデルを支持するものである。これらの知見は、同種間電子移動による共生的な種間電子移動と発電を相関させる研究のための可能な説明を提供し、他の生物でこの有用な機能を工学するための多くの以前に認識されていないターゲットを明らかにしています。

generates electrical current by coupling intracellular oxidation of organic acids to the reduction of proteins on the cell surface that are able to interface with electrodes. This ability is attributed to the bacterium's capacity to respire other extracellular electron acceptors that require contact, such as insoluble metal oxides. To directly investigate the genetic basis of electrode-based respiration, we constructed transposon-insertion sequencing (Tn-Seq) libraries for growth, with soluble fumarate or an electrode as the electron acceptor. Libraries with >33,000 unique insertions and an average of 9 insertions/kb allowed an assessment of each gene's fitness in a single experiment. Mutations in 1,214 different genomic features impaired growth with fumarate, and the significance of 270 genes unresolved by annotation due to the presence of one or more functional homologs was determined. Tn-Seq analysis of -0.1 V versus standard hydrogen electrode (SHE) electrode-grown cells identified mutations in a subset of genes encoding cytochromes, processing systems for proline-rich proteins, sensory networks, extracellular structures, polysaccharides, and metabolic enzymes that caused at least a 50% reduction in apparent growth rate. Scarless deletion mutants of select genes identified via Tn-Seq revealed a new putative porin-cytochrome conduit complex () crucial for growth with electrodes, which was not required for Fe(III) oxide reduction. In addition, four mutants lacking components of a putative methyl-accepting chemotaxis-cyclic dinucleotide sensing network () were defective in electrode colonization but grew normally with Fe(III) oxides. These results suggest that possesses distinct mechanisms for recognition, colonization, and reduction of electrodes compared to Fe(III) oxides. Since metal oxide electron acceptors are insoluble, one hypothesis is that cells sense and reduce metals using the same molecular mechanisms used to form biofilms on electrodes and produce electricity. However, by simultaneously comparing thousands of transposon mutants undergoing electrode-dependent respiration, we discovered new cytochromes and chemosensory proteins supporting growth with electrodes that are not required for metal respiration. This supports an emerging model where recognizes surfaces and forms conductive biofilms using mechanisms distinct from those used for growth with metal oxides. These findings provide a possible explanation for studies that correlate electricity generation with syntrophic interspecies electron transfer by and reveal many previously unrecognized targets for engineering this useful capability in other organisms.

Copyright © 2017 Chan et al.