嫌気性呼吸における有毒有機細胞外電子受容体アゾ色素の適応的な反応

Adaptive Responses of to Toxic Organic Extracellular Electron Acceptor Azo Dyes in Anaerobic Respiration.

• Yun Fang
• Jun Liu
• Guannan Kong
• Xueduan Liu
• Yonggang Yang
• Enze Li
• Xingjuan Chen
• Da Song
• Xuejiao You
• Guoping Sun
• Jun Guo
• Meiying Xu

抄録

細胞外電子受容体を利用した細菌の嫌気性呼吸は、地球規模の生物地球化学サイクルにおいて重要な役割を果たしている。しかし、嫌気性呼吸中の細胞外電子受容体としての有害有機汚染物質に対するバクテリアの適応機構は明らかではなく、汚染環境のバイオレメディエーション戦略の最適化には限界がある。本研究では、代表的な有害有機汚染物質であるアマランスを細胞外電子受容体として用いた場合の生態学的に成功した細菌S12の生理的特徴と全球的な遺伝子発現を報告する。その結果、アマランスストレス下では、フィラメントシフト（細胞が18μmもの繊維状に伸びること）が起こることが明らかになった。持続的なストレス下では、親株に比べて亜培養細胞のフィラメント化率が高く、脱色能力が高いことが明らかになった。また、糸状細胞の細胞分裂、走化性、エネルギー保存、損傷修復、物質輸送に関わる遺伝子の発現が有意に刺激された。また、糸状体細胞で顕著に発現が亢進したいくつかの遺伝子、例えば、外膜ポーリン遺伝子、シトクロム遺伝子、グローバル制御因子遺伝子、メチル受容性走化性タンパク質遺伝子、などの詳細な役割を部位特異的突然変異誘発法により同定した。最後に、有害有機物が存在する場合の細菌の生存戦略と、これらの有害有機物が細胞外電子受容体として生分解されるメカニズムの両方についての洞察を深めるのに役立つ概念モデルを提案した。有害有機汚染物質（TOPs）を許容レベルに維持することは、非常に不利な環境下でのバクテリアにとって大きな課題であり、TOPsはエネルギー代替物として機能するだけでなく、ある閾値を超えると生存ストレスとしても機能する可能性がある。本研究では、代表的な有害有機汚染物質であるアマランスに細胞外電子受容体として曝露された場合の、生態学的に成功した細菌S12の適応機構に焦点を当てた。その結果、フィラメントシフトは、エネルギー資源と有害ストレスの間のジレンマを解決するための柔軟で有効な方法であることが示唆された。糸状細胞は遺伝子発現を調節して分解・解毒能力を高め、その結果、強い生存能力を得ることができる。これらのTOPsに対する新規な適応応答は、過酷な環境下で成功するための進化の成果と考えられており、この経路の未知のノードをすべて描けば、環境工学や合成生物学への応用が可能となる可能性を秘めています。

Bacterial anaerobic respiration using an extracellular electron acceptor plays a predominant role in global biogeochemical cycles. However, the mechanisms of bacterial adaptation to the toxic organic pollutant as the extracellular electron acceptor during anaerobic respiration are not clear, which limits our ability to optimize the strategies for the bioremediation of a contaminated environment. Here, we report the physiological characteristics and the global gene expression of an ecologically successful bacterium, S12, when using a typical toxic organic pollutant, amaranth, as the extracellular electron acceptor. Our results revealed that filamentous shift (the cells stretched to fiber-like shapes as long as 18 μm) occurred under amaranth stress. Persistent stress led to a higher filamentous cell rate and decolorization ability in subcultural cells compared to parental strains. In addition, the expression of genes involved in cell division, the chemotaxis system, energy conservation, damage repair, and material transport in filamentous cells was significantly stimulated. The detailed roles of some genes with significantly elevated expressions in filamentous cells, such as the outer membrane porin genes and , the cytochrome genes and , the global regulatory factor gene , and the methyl-accepting chemotaxis proteins genes and , were identified by site-directed mutagenesis. Finally, a conceptual model was proposed to help deepen our insights into both the bacterial survival strategy when toxic organics were present and the mechanisms by which these toxic organics were biodegraded as the extracellular electron acceptors. Keeping toxic organic pollutants (TOPs) in tolerable levels is a huge challenge for bacteria in extremely unfavorable environments since TOPs could serve as energy substitutes but also as survival stresses when they are beyond some thresholds. This study focused on the underlying adaptive mechanisms of ecologically successful bacterium S12 when exposed to amaranth, a typical toxic organic pollutant, as the extracellular electron acceptor. Our results suggest that filamentous shift is a flexible and valid way to solve the dilemma between the energy resource and toxic stress. Filamentous cells regulate gene expression to enhance their degradation and detoxification capabilities, resulting in a strong viability. These novel adaptive responses to TOPs are believed to be an evolutionary achievement to succeed in harsh habitats and thus have great potential to be applied to environment engineering or synthetic biology if we could picture every unknown node in this pathway.

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