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カドミウムストレスに応答する Scenedesmus obliquus の代謝物の特性評価のための非標的メタボロミクスアプローチ
An untargeted metabolomic approach for the putative characterization of metabolites from Scenedesmus obliquus in response to cadmium stress.
PMID: 32688078 DOI: 10.1016/j.envpol.2020.115123.
抄録
カドミウム（Cd）は水生系に広く分布する汚染物質であり、淡水微生物に対して様々な毒性学的影響を与えている。本研究では、緑藻類Scenedesmus obliquusを20% (12.6μmolL)、30% (39.8μmolL)、40% (83.2μmolL)の成長を阻害するカドミウム濃度の上昇に曝露し、非標的直接注入高分解能フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析法を用いて、放出された生体分子と細胞内生体分子の代謝物プロファイルを探索した。Cd未処理培養では、放出された生体分子と凍結乾燥細胞の間に組成の本質的な違いが存在した。Cys-GSH異性体とカルボキシアミドが滲出液中に多く存在するのに対し、糖異性体とホスホン酸はほとんどの細胞代謝物を構成していた。83.2μmolL のカドミウムに曝露した培養物では、放出された生体分子と細胞成分の両方のメタボローム応答の全体的なシフトは、脂質ベースのエステル、および Cys-GSH 異性体の増加をもたらした。これら2つの重要な代謝物は、細胞ストレス時の抗酸化防御機構および活性酸素種予防に利用される。また、Cd 濃度が上昇すると代謝物の多様性が低下することから、全体的な代謝物が金属ストレスに特化していることが示唆された。また、糖やカルボキシル異性体から特殊なタンパク質や脂質異性体へと全身的にシフトし、S.obliquusがストレスに対処するのを助けていることを示した。これらの知見は、この緑藻類の潜在的なバイオ吸着剤としての利用の可能性を強調し、カドミウム毒性のメタボロミクスと微生物の金属適応に関する知見を明らかにした。
Cadmium (Cd) is a widespread contaminant in aquatic systems and has a variety of toxicological implications on freshwater microorganisms. In this study, the green algae Scenedesmus obliquus was exposed to increasing Cd concentrations that inhibited growth by 20% (12.6 μmol L), 30% (39.8 μmol L) and 40% (83.2 μmol L) and the metabolite profiles of released and cellular biomolecules were explored using an untargeted direct infusion high resolution Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry approach. In Cd untreated cultures, intrinsic differences in composition existed between released biomolecules and freeze-dried cells. Based on putatively characterized compound groups, a greater proportion of Cys-GSH isomers and carboxyamides were present in exudates whereas sugar isomers and phosphonic acids comprised most cellular metabolites. In cultures exposed to 83.2 μmol L Cd, an overall shift in metabolomic response across both released biomolecules and cellular components resulted in an increase of lipid-based esters, and Cys-GSH isomers. These two important metabolites are used in antioxidant defense mechanisms and reactive oxygen species prevention during cellular stress. The diversity of metabolites also decreased as Cd concentrations increased when compared to untreated cultures, suggesting that overall metabolites specialize upon metal stress. We show systemic shifts from sugar and carboxylic isomers to specialized proteins and lipid isomers to help S. obliquus cope with stress. These findings highlight the potential use of this green algae as a potential biosorbent and sheds light into the metabolomics of Cd toxicology and insights into microbial metal adaptation.
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