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Jun 12, 2023

Uno studio comparativo rivela l'importanza relativa delle rodopsine della pompa protonica procariotica ed eucariotica in un mare marginale subtropicale

Comunicazioni ISME volume 3, numero articolo: 79 (2023) Cita questo articolo 262 Accessi 4 Dettagli metriche altmetriche La rodopsina con pompa protonica (PPR) nei microbi marini può convertire l'energia solare in

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 79 (2023) Citare questo articolo

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La rodopsina a pompa protonica (PPR) nei microbi marini può convertire l’energia solare in energia chimica biodisponibile. Mentre la PPR batterica è stata ampiamente studiata, le controparti nei microeucarioti sono meno esplorate e l’importanza relativa dei due gruppi è scarsamente compresa. Qui, abbiamo sequenziato metatrascrittomi dell'intero assemblaggio e studiato la diversità e le dinamiche di espressione della PPR negli eucarioti e nei procarioti microbici in una piattaforma continentale e in un sito pendio nel Mar Cinese Meridionale settentrionale. I dati hanno mostrato che l'intero pool di trascrizione dei PPR era dominato da proteorodopsine e xantorodopsine, seguite da proteine ​​simili a batteriorodopsine, con un contributo dominante da parte dei procarioti sia nel numero che nei livelli di espressione degli unigeni PPR, sebbene nella stazione del pendio continentale, microeucarioti e procarioti contribuissero in modo simile nella trascrizione abbondanza. Inoltre, i PPR eucariotici sono forniti principalmente dai dinoflagellati e hanno mostrato una correlazione significativa con le concentrazioni di nutrienti. I PPR che assorbono la luce verde erano distribuiti principalmente in organismi > 3 μm (compresi i microeucarioti e i batteri associati), in particolare nello strato superficiale presso la stazione di scaffale, mentre i PPR che assorbono la luce blu dominavano le comunità < 3 μm (principalmente batteriche) in entrambi gli studi siti, soprattutto negli strati più profondi presso la stazione del pendio. Il nostro studio descrive un genotipo PPR comparativo e un panorama di espressione per procarioti ed eucarioti in un mare marginale subtropicale, suggerendo il ruolo del PPR nella differenziazione e nell'adattamento di nicchia tra i microbi marini.

Le rodopsine sono ora conosciute in tutti e tre i domini della vita. La più conosciuta è la rodopsina sensoriale per la visione negli occhi degli animali. Rodopsine funzionalmente più diverse si trovano negli organismi microbici (rodopsine microbiche) [1]. Le scoperte iniziali delle rodopsine microbiche risalgono agli anni '70, quando le rodopsine presenti nell'Halobacterium halobium furono caratterizzate come pompe protoniche o di cloruro [2,3,4]. Dopo un periodo di quiescenza di due decenni, l’interesse per le rodopsine microbiche è stato riacceso dalla scoperta delle rodopsine a pompa protonica (PPR), una sottofamiglia delle rodopsine microbiche, nel clade SAR86 [5] e di molti altri batteri nella superficie dell’oceano. I PPR pompano protoni dal citoplasma fuori dalla cellula e creano un gradiente protonico che ha la forza di stimolare la produzione di ATP [6]. È stato ampiamente riportato che queste rodopsine che catturano la fotoenergia si trovano nel 48% delle particelle di piccole dimensioni (<0,8 μm) nella zona fotica dell'oceano [7, 8] o nel 13-70% dei batteri che vivono nella superficie dell'oceano [9, 10] . Si sa ora che sono abbondantemente distribuiti a livello globale, dal sistema acquatico (compresi i sistemi marini e di acqua dolce) ai sistemi edafici [11], dal tropico [12] alle regioni polari [13, 14], e tassonomicamente, dalle regioni giganti virus e organismi eubatterici [2, 14,15,16] ai microbi eucariotici [17, 18].

La maggior parte delle rodopsine microbiche con pompa protonica documentate finora sono pompe protoniche esterne, che funzionano per produrre ATP nelle cellule, sebbene siano state segnalate anche rodopsine con pompa protonica interna (cioè xenorodopsine e schizorodopsine) [19,20,21]. Per questo motivo e per brevità, il termine PPR verrà utilizzato da qui in poi per descrivere le rodopsine microbiche che si sono rivelate essere rodopsine della pompa protonica verso l'esterno, l'obiettivo del presente studio. I PPR trovati finora includono proteorodopsine (PR) [22,23,24], batteriorodopsine (BR) [25], xantorodopsine (XR) [26, 27], exiguobacterium rodopsine (ESR) [28] e actinorodopsine (ActR) [29 ]. Come accennato in precedenza, i PPR possono iperpolarizzare il potenziale di membrana, che potrebbe sintetizzare ATP a beneficio dei microrganismi contenenti PPR [30]. Tuttavia, il ruolo ecologico dei diversi PPR non è del tutto chiaro, anche se gli studi hanno generalmente dimostrato che essi promuovono la crescita o la sopravvivenza dei microbi portatori in ambienti poveri di nutrienti [24, 31]. Nei dinoflagellati, i PPR possono fornire energia per supportare la crescita in condizioni di cibo o nutrienti limitati o di luce limitata [32, 33]. Nelle diatomee, i PPR sono stati implicati nel far fronte alla limitazione del ferro [18].