海洋化能自养菌Thiomicrospira pelophila的二氧化碳浓缩机制存在异常调控现象

《Applied and Environmental Microbiology》：Unusual regulation of the CO2 concentrating mechanism of marine chemolithoautotroph Thiomicrospira pelophila

CO2浓缩机制（CCM）研究显示，Thiomicrospira pelophila的CCM通过羧体壳和多个DIC转运蛋白实现，其羧体壳数量在DIC限制下变化不显著，仅sbtA转运蛋白基因上调。与Hydrogenovibrio crunogenus等物种相比，该CCM的基因表达调控更趋稳定，且羧体壳携带的碳ic酸酶类型为i型。研究揭示了极端环境中CCM的多样性和适应性策略，为工业合成生物设计提供新思路。

　　在自然界中，自养生物通过将溶解的无机碳（DIC）转化为生物量，从而在地球碳循环中引入有机碳。这些生物面临一个挑战，即它们的卡尔文-本森-巴斯哈循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）中的羧化酶（RubisCO）只能利用二氧化碳（CO?）作为底物，而不能利用碳酸氢盐（HCO??）进行反应。因此，许多自养生物进化出了二氧化碳浓缩机制（CCMs），以应对RubisCO的催化限制。这些机制通常包括羧化体（carboxysomes）和DIC转运蛋白，它们共同作用，帮助自养细菌在DIC稀缺的环境中固定DIC。本文聚焦于一种名为Thiomicrospira pelophila的自养细菌，其具有特殊的羧化体和多种潜在的DIC转运蛋白，这使得它在碳固定过程中表现出独特的适应性。

Thiomicrospira pelophila是一种化学自养细菌，其羧化体中包含一种不常见的碳酸酐酶（CA），即ι-CA。相比之下，其他类型的羧化体通常包含β-CA或γ-CA。此外，Thiomicrospira pelophila的基因组编码了六种潜在的DIC转运蛋白，这在其他化学自养菌中较为罕见。为了探讨这些羧化体和多种转运蛋白如何整合成一个功能完整的CCM，研究人员进行了一系列实验。这些实验不仅验证了Thiomicrospira pelophila的CCM功能，还揭示了其在DIC限制条件下的基因调控模式。

实验结果显示，Thiomicrospira pelophila确实具备功能性CCM。在表达于大肠杆菌（E. coli）中时，其中四种DIC转运蛋白能够有效摄取DIC。然而，只有其中一种转运蛋白在DIC限制条件下被显著上调。这表明，尽管Thiomicrospila pelophila的基因组中存在多个DIC转运蛋白基因，但其基因表达模式与传统研究中的其他生物有所不同。具体而言，在DIC限制条件下，羧化体相关基因的转录丰度并没有显著变化，且羧化体的数量增加并不明显。这种现象与某些其他自养生物在低DIC条件下显著增加羧化体数量的模式形成鲜明对比，突显了Thiomicrospira pelophila在CCM调控方面的独特性。

这种独特的基因调控模式可能反映了Thiomicrospira pelophila对环境的适应策略。在碱性环境中，DIC的可利用性较低，而CO?则相对丰富。因此，Thiomicrospira pelophila可能通过多种转运蛋白的协同作用来维持其碳固定效率，而无需显著增加羧化体数量。这种策略可以降低其在低DIC环境下的能量消耗，从而更有效地适应其生长环境。此外，这种模式可能在工业应用中具有重要意义，因为通过调控DIC转运蛋白的表达，可以优化碳固定效率，从而提高合成生物系统的生产力。

研究还发现，Thiomicrospira pelophila的羧化体中，ι-CA的出现可能是其适应高pH环境的一种进化策略。ι-CA与传统的β-CA不同，它可能在特定的环境条件下发挥不同的功能。此外，Thiomicrospira pelophila在DIC限制条件下，其RubisCO的数量并未显著增加，这与许多其他自养生物形成对比。这一发现表明，Thiomicrospira pelophila可能通过不同的机制来维持其碳固定能力，例如通过提高RubisCO的活性或利用其他形式的碳源。

在实验设计方面，研究人员使用了连续培养系统（chemostats）来研究Thiomicrospira pelophila在不同DIC浓度下的生长速率和碳固定能力。通过调整培养基中的DIC浓度，他们观察到Thiomicrospira pelophila能够在非常低的DIC浓度下快速生长，这表明其具有高效的碳固定能力。此外，通过透射电镜（TEM）和定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）等技术，研究人员分析了Thiomicrospira pelophila在DIC限制条件下的羧化体数量和相关基因的表达水平。结果显示，与另一种化学自养菌Hydrogenovibrio crunogenus相比，Thiomicrospira pelophila的羧化体数量和基因表达变化较小。

这一研究的发现对理解自养生物如何在不同环境中适应具有重要意义。此外，这些发现也为合成生物学和工业应用提供了新的思路。通过优化CCM的组成和调控，可以提高工程微生物在低DIC或高pH环境下的生长和代谢效率。例如，在工业生产中，如果能够将Thiomicrospira pelophila的CCM成分引入到其他微生物中，可能会显著提高它们的碳固定能力，从而增强其在生物制造过程中的应用潜力。

总的来说，这项研究揭示了Thiomicrospira pelophila在CCM方面的独特性，包括其羧化体和DIC转运蛋白的组成、功能以及基因调控模式。这些发现不仅加深了我们对自养生物适应策略的理解，也为未来的生物技术应用提供了新的方向。通过进一步研究这些机制，科学家可以更好地设计和优化微生物系统，以适应各种环境条件，并提高其在工业和农业中的应用价值。