Adaptação metabólica à auxotrofia vitamínica pela folha

The ISME Journal volume 16, páginas 2712–2724 (2022) Cite este artigo

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Os auxotróficos são incapazes de sintetizar todos os metabólitos essenciais para seu metabolismo e dependem de outros para fornecê-los. Eles foram intensamente estudados em mutantes gerados e evoluídos em laboratório, mas os mecanismos de adaptação emergentes à auxotrofia não foram sistematicamente abordados. Aqui, investigamos auxotrofias em bactérias isoladas de folhas de Arabidopsis thaliana e descobrimos que até metade das cepas têm requisitos auxotróficos para biotina, niacina, pantotenato e/ou tiamina. Em seguida, exploramos a base genética da auxotrofia, bem como as características que coocorrem com a auxotrofia vitamínica. Descobrimos que as cepas auxotróficas geralmente armazenavam coenzimas com capacidade de crescer exponencialmente por 1 a 3 duplicações sem suplementação vitamínica; no entanto, o maior armazenamento observado foi para a biotina, que permitiu 9 duplicações em uma cepa. Em experimentos de co-cultura, demonstramos o fornecimento de vitaminas aos auxotróficos e descobrimos que as linhagens auxotróficas mantiveram maior riqueza de espécies do que os prototróficos após suplementação externa com vitaminas. A extensão de um modelo de consumo de recursos previu que os auxotróficos podem utilizar compostos de carbono fornecidos por outros organismos, sugerindo que as cepas auxotróficas se beneficiam de subprodutos metabólicos além das vitaminas.

As coenzimas são essenciais para o metabolismo celular. Eles formam o núcleo de muitas reações catalisadas por enzimas (por exemplo, reações redox, transaminações e formação de ligações carbono-carbono) e atuam como transportadores de unidades de um carbono e ácidos orgânicos [1]. Organismos com defeitos em sua biossíntese, auxotróficos, devem obter coenzimas ou moléculas precursoras de coenzimas, ou seja, vitaminas por suprimento externo. Como dependem do suprimento de vitaminas em seu ambiente para permitir o crescimento, a instabilidade da coenzima exacerbaria a necessidade de suprimento externo. Foi recentemente demonstrado que o esqueleto de carbono das coenzimas é estável in vivo [2]. De fato, a longevidade da coenzima, ou seja, a ausência de degradação e reconstrução intracelular, é uma propriedade inerente que pode ter sido selecionada evolutivamente [2, 3] e pode ser considerada um pré-requisito para a proliferação de organismos auxotróficos. Os requisitos auxotróficos podem evoluir rapidamente em experimentos de evolução de laboratório em meios ricos em nutrientes, como mostrado em populações de Escherichia coli [4]. Cepas auxotróficas também foram isoladas da natureza e muitas vezes são o resultado da perda de genes [5,6,7]. No entanto, atualmente não está claro o quão comuns são as auxotrofias em bactérias na maioria dos ambientes. Uma série de estudos recentes relataram previsões sobre requisitos nutricionais diretamente de dados genômicos usando modelos metabólicos em escala genômica ou identificando lacunas em genomas sem validação experimental [8,9,10,11,12,13] ou focando a validação experimental para poucos cepas [14,15,16]. Esses estudos foram usados ​​para prever redes de interação de comunidades microbianas, que por sua vez serviram para inferir a alimentação cruzada metabólica em comunidades bacterianas [17]. A frequência de auxotrofias para coenzimas, nucleobases e aminoácidos em bactérias sequenciadas foi estimada em análises computacionais e pode chegar a 75% [13], embora essas análises provavelmente exibam uma alta taxa de falsos positivos quando comparadas aos dados obtidos experimentalmente [ 18].

Os auxotróficos requerem um suprimento externo de vitaminas, o que levanta a questão de adaptações fisiológicas ou outras adaptações dos auxotróficos, incluindo o armazenamento de vitaminas. Há muito se sabe que as bactérias auxotróficas do ácido láctico mantêm o crescimento após a remoção das vitaminas [19]. Embora o armazenamento intracelular de compostos elementares, como carbono, fósforo e nitrogênio, tenha sido demonstrado [20,21,22], o armazenamento de pequenas moléculas - incluindo vitaminas e coenzimas - ainda não está bem estabelecido. Também não está claro o quão difundido é o armazenamento potencial em bactérias ambientais. Há um interesse renovado em avaliar o armazenamento de diversos compostos devido às implicações ecológicas da capacidade dos micróbios de manter o crescimento sem acesso externo aos recursos [23]. Cepas prototróficas de E. coli que sofreram mutação em genes envolvidos na biossíntese de coenzimas, ou seja, mutantes auxotróficos "artificiais", têm uma capacidade de armazenamento de apenas cerca de uma duplicação após a remoção da vitamina essencial [2]. Este conjunto de coenzimas em excesso é provavelmente o requisito mínimo para manter o metabolismo robusto à expansão celular durante a divisão celular. Esses resultados nos levaram a supor que, para auxotróficos encontrados na natureza, onde o suprimento de coenzima pode ser errático, diferentes estratégias para lidar com a dependência de nutrientes e o armazenamento de coenzima podem ter evoluído. A perda da biossíntese de um composto também pode afetar a função de uma célula de maneira mais sistêmica. Consequências fisiológicas diretas resultantes da perda de biossíntese foram estudadas em organismos modelo, como E. coli, Bacillus subtilis e Acinetobacter baylyi, e incluem benefício de condicionamento físico [4, 13, 24] e potencial de alimentação cruzada [25, 26]. Esses estudos mostram que, desde que o nutriente necessário esteja disponível, os auxotróficos superam o tipo selvagem. Pode-se prever que, dado tempo evolutivo suficiente, outras características podem ser selecionadas para compensar a perda de uma habilidade biossintética. Essa perda de uma função essencial, por exemplo, uma determinada via biossintética, pode então se estender a outros compostos que estão disponíveis no nicho agora obrigatório, bem como a recursos que ajudam a lidar com a escassez de nutrientes. O último poderia envolver, por exemplo, otimizar o uso de coenzimas auxotróficas em vias metabólicas, aumentar o armazenamento de vitaminas, investir mais energia em sistemas de reparo ou otimizar o crescimento e as taxas de absorção de nutrientes [9, 27,28,29].