一酸化窒素の濃縮と特性評価

Mar 06, 2024

Nature Microbiology volume 8、pages 1574–1586 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

一酸化窒素 (NO) は、反応性が高く気候に影響を与える分子であり、微生物の窒素サイクルにおける重要な中間体です。脱窒と好気呼吸、高い酸化還元電位、微生物の増殖を維持する能力の進化におけるその役割にもかかわらず、NO を原料として使用して環境から直接得られる NO 還元微生物培養物が存在しないため、NO 還元微生物に関する私たちの理解は依然として限られています。基板。ここでは、連続バイオリアクターと唯一の電子受容体としての NO の一定供給を使用して、ナノモル濃度の NO で増殖し、大量 (>6 μM) のこの有毒ガスにも耐える、これまで知られていなかった 2 つの微生物が支配する微生物群集を濃縮し、特徴付けました。温室効果ガスである亜酸化窒素をほとんど、または検出不可能なレベルで生成しながら、それを N2 に還元します。これらの結果は、気候活性ガスの制御、老廃物の除去、硝酸塩と酸素の呼吸の進化において重要な役割を果たしている NO 還元微生物の生理機能についての洞察を提供します。

一酸化窒素 (NO) は、細胞生物学および大気化学において重要な機能を持つ強力な酸化分子です。大気中では、NO は強力な温室効果ガスである亜酸化窒素 (N2O) の前駆体として大気汚染、酸性雨の生成、オゾン層の破壊に寄与します 1,2。細胞生物学では、NO は細胞膜を通って容易に拡散し、他のフリーラジカルや遷移金属と急速に反応するため 3、微生物の生命にとって非常に有毒です 4,5。また、NO の物理化学的特性により、NO は貴重なシグナル伝達分子 6 であり、無機窒素種の代謝回転における重要な中間体 7 となっており、微生物が NO を検出して解毒するだけでなく、NO を非常に効果的に呼吸するための戦略を進化させてきたことが強調されています 5、8、9。

実際、酸素による光合成が始まるずっと前の初期の地球では、雷と火山活動によって生成された NO が、生命が利用できる最も強力な酸化剤でした (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1.173 V (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\)、標準中点電位)10,11,12。その結果、好気呼吸が出現する前に、NO は現代の脱窒に関連する生体エネルギー経路の進化を促進する上で重要な役割を果たしたという仮説が立てられています12。その中で、祖先の NO レダクターゼ (NOR) が、後に使用される末端オキシダーゼの前駆体として機能しました。好気呼吸において13、14、15。これは、その毒性に関係なく、NO の還元からエネルギーを回収できる多種多様な微生物が、地球上の生命の歴史の初期に進化したに違いないことを示唆しています。

現代の窒素サイクルでは、NO は、嫌気性アンモニウム酸化 (anammox) と脱窒 7 という、N2 を大気中に放出する 2 つのプロセスのみにおける重要な中間体です。アナモックス中、プランクトミセテス門の細菌は亜硝酸塩 (NO2-) を NO に還元し、その後、酸素の非存在下でアンモニウムをヒドラジンに活性化するために使用されます 16。脱窒では、生命の樹全体に広がる多種多様な微生物によって、硝酸塩 (NO3-) が N2 に段階的に還元される (NO3- → NO2- → NO → N2O → N2) 間に、NO が代謝されます 17。アナモックスとは対照的に、脱窒は単一の微生物によって個別に完了することも、あるいは、各微生物が 1 つ以上の異なる N-オキシド還元反応 (式 (1) ～ (4)) を実行する多様な微生物の共同体によって完了することもできます。。これに沿って、さまざまな N-オキシド還元微生物が NO3- と脱窒中間体 NO2- および N2O を使用して単離されていますが、NO 18,19 は単離されていません。ただし、この基質上で直接微生物が増殖することが実証されています。例えば、アナモックス細菌は、NO2-の非存在下でNOとアンモニアで直接増殖することが示されており（参考文献8）、脱窒微生物は、異なる条件下でNOを供給するとバイオマスを増加させることが示唆されている20、21、22。それでも、NO 上での脱窒微生物の増殖に関する情報は不足しており、独立した反応として、または脱窒プロセスの一部としての NO 還元の生理機能に関する我々の知識は、NO を使用して得られたものではなく、通常は NO を使用して得られた培養物に基づいています。細胞に対するNOの阻害と毒性効果に限定される5。

92% completeness) from diverse bacterial phyla (Table 2 and Supplementary Table 2) that represented ~85% of the microbial community in the enrichment culture (as approximated by the fraction of metagenomic reads mapping). Five MAGs contained genes encoding NOR and N2O reductases (NOS), which are necessary to reduce NO to N2 (equations (3) and (4)). Two MAGs encoded only NOS, suggesting these organisms did not use NO as an electron acceptor and instead reduced N2O that might be released by other cells. The five remaining MAGs did not contain any NOR or NOS./p>1,500 bp) 16S rRNA gene sequences extracted from the metagenome were imported into the database and aligned using SINA (SILVA Incremental Aligner 1.2.12)87. Probe S-*-Nper-0205-a-A-23 (Nper205, 5′-TGTCGCGCGAGGTCGTTTCCAAT-3′) targeted only Ca. Nitricoxidivorans perseverans with no mismatches, and had at least one mismatch with all other sequences in the database and at least five mismatches with the other 16S rRNA sequences extracted from the metagenome. A helper probe (5′-ACTAGCTAATCCGGCATCGGCCGCT-3′) was designed to ensure efficient hybridization efficiency of Nper205 to the target organisms. Probe S-*-Nbre-0448-a-A-19 (Nbre448, 5′-TTAGCGACGACCGTTTCGT-3′) targeted with no mismatches Ca. Nitricoxidireducens bremensis and five other uncultured organisms in the database that were not present in our enrichment culture, and had at least one mismatch with all other sequences in the database and at least three mismatches with the other 16S rRNA sequences extracted from the metagenome. The optimal formamide concentrations for the hybridization of the Nper205 and Nbre448 probes were determined from probe dissociation profiles88 generated with the image analysis software daime89./p>

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