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锐谈 | iScience:微生物适应性代谢的模块化升级——发现可扩展磷酸盐分解代谢网络的新型FAD依赖氧化还原酶

锐谈 | iScience:微生物适应性代谢的模块化升级——发现可扩展磷酸盐分解代谢网络的新型FAD依赖氧化还原酶

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  • 发布时间:2023-12-19 10:52
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锐谈 | iScience:微生物适应性代谢的模块化升级——发现可扩展磷酸盐分解代谢网络的新型FAD依赖氧化还原酶

【概要描述】

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该文揭示了脱碳磷酸盐微生物降解过程中酶的进化和适应性的新见解。文中发现的一类FAD依赖氧化还原酶可显著扩展AEP水解代谢网络的底物范围,使细菌获得对更多AEP相关营养源的利用能力。这种通过新增模块化酶实现代谢途径升级的策略,增强了细菌的环境适应性,体现了微生物适应性代谢的模块化和可重组性特点。

背景:

磷酸盐对生物体的生长发育非常重要,但在一些环境中可利用的无机磷源有限。脱碳磷酸盐是一类含有直接的C-P键的有机化合物,在环境中广泛存在。其中2-氨基乙基磷酸(AEP)是最常见的一种天然脱碳磷酸盐。许多细菌具有通过特异的“水解”途径降解AEP的能力,以获取磷源(图1)。

在最常见的情况下,AEP水解降解途径从转氨酶PhnW催化的AEP向磷酰乙醛(PAA)的转化反应开始。然后,PAA经过磷酰乙醛水解酶PhnX水解生成乙醛和无机磷酸盐(图1A)。在另一条途径中,PAA首先被脱氢酶PhnY转化为磷酸乙酸,然后再由酶PhnA水解生成乙酸和磷酸盐(图1B)。

尽管AEP水解途径广泛存在于多个细菌中,但这些途径对底物范围非常狭窄,只能降解AEP本身。考虑到AEP相关化合物N-甲基AEP(M1AEP)也很常见,本研究人员推测一些辅助酶可能会有此活性,因此将M1AEP(N-methyl AEP)也引入AEP水解途径中。

实验部分:

在AEP水解相关基因簇中发现编码FAD依赖氧化还原酶的基因非常常见。这些酶至少可以归于PbfB、PbfC和PbfD三个亚组。重组表达并纯化了来自不同亚组的代表性酶后进行表征,发现这些酶都可以将M1AEP氧化为PAA(图2)。

PAA然后可继续进入后续的AEP水解途径,最终释放出无机磷酸盐。PbfC酶表现出高度区域选择性,几乎不能作用于未甲基化的AEP。另一方面,PbfD酶能以相近的效率氧化M1AEP和AEP(图3)。

总结与讨论:

1. FAD酶扩大了AEP水解途径的应用范围,这些酶允许细菌利用AEP相关化合物,提高对多种营养源的适应性。

2. 不同FAD酶功能的差异适应不同细菌需求,如PbfC酶高专一性适合不需要降解AEP的细菌;PbfD酶适合缺少PhnW的菌种。

3. FAD酶基因的水平传递,这些辅助酶编码基因可能与AEP水解核心基因一起在细菌之间传递,组装成适应不同环境的代谢模块。

4. 对AEP微生物代谢网络的新认识,AEP水解途径表现出高度的模块化和可重组性,可根据环境需求组合生成不同途径。

5. 对细菌营养和环境适应性的启示,发现的酶可促进细菌对多种营养源的利用,提高生存竞争力。
本研究通过组合生物信息学和实验方法的策略,发现了一类可扩展AEP水解网络的FAD依赖氧化还原酶。这些酶增强了细菌对AEP相关营养源的利用,为细菌的环境适应提供了更大的机动空间。研究提出的AEP水解途径组装模式为进一步理解微生物代谢提供了新视角。

原文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10590968/

作者:迪迦

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