Cultivo de bactérias marinhas do clado SAR202

Nature Communications volume 14, número do artigo: 5098 (2023) Citar este artigo

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As bactérias do clado SAR202, dentro do filo Chloroflexota, estão onipresentemente distribuídas no oceano, mas ainda não foram cultivadas em laboratório. Foi proposto que antigas expansões de parálogos de enzimas catabólicas ampliaram o espectro de compostos orgânicos que as bactérias SAR202 poderiam oxidar, levando a transformações do ciclo de carbono da Terra. Aqui, relatamos o cultivo bem-sucedido de bactérias SAR202 a partir de águas superficiais do mar usando cultura de diluição até extinção. O crescimento destas cepas é muito lento (0,18–0,24 dia-1) e é inibido pela exposição à luz. Os genomas, de ca. 3,08 Mbp, codificam archaella (estruturas de motilidade de archaeal) e vários conjuntos de parálogos de enzimas, incluindo 80 genes que codificam enzimas da superfamília enolase e 44 genes que codificam desidrogenases dependentes de NAD (P). Propomos que esses parálogos enzimáticos participem de múltiplas vias paralelas para o catabolismo não fosforilativo de açúcares e ácidos de açúcar. De fato, demonstramos que as cepas SAR202 podem utilizar vários substratos que são metabolizados através das vias previstas, como os açúcares ʟ-fucose e ʟ-ramnose, bem como suas formas lactona e ácida.

O clado SAR202 no filo Chloroflexota está onipresentemente distribuído no oceano, representando 10-30% dos procariontes planctônicos no mar profundo . Várias propriedades associadas à organoheterotrofia e ao metabolismo do enxofre e do nitrogênio foram interpretadas a partir de conjuntos de metagenoma SAR202 e sequências do genoma unicelular . Os sete grupos (subclados) do SAR202 são individualmente distintos nos números e tipos de parálogos que contêm , sugerindo uma relação entre a evolução do parálogo e a especialização de nicho dos subclados.

Propõe-se que genes parálogos de monooxigenase dependentes de flavina no grupo III SAR202, em alguns casos excedendo 100 por genoma, tenham evoluído para colher carbono e energia de diversas moléculas orgânicas que se acumularam nos oceanos durante a expansão do ciclo de carbono da Terra, após a ascensão da fototrofia oxigenada8,12,13. Da mesma forma, no grupo I SAR202, propõe-se que grandes expansões de parálogos na superfamília de proteínas enolase tenham evoluído para permitir que essas células metabolizem compostos que resistem à oxidação biológica devido à sua complexidade quiral. A ramificação inicial destes parálogos em árvores filogenéticas indica que a evolução das células SAR202 foi um cadinho para a sua diversificação .

As células SAR202 são encontradas em todas as colunas de água oceânicas, atingindo números mais elevados perto da superfície do oceano, mas contribuem com uma percentagem mais elevada de todas as células do plâncton nas regiões meso-, bati-, hadal- e abissopelágicas5,10,12. Os grupos I e II SAR202 possuem genes de rodopsina em seus genomas e são os SAR202 mais abundantes em ambientes epipelágicos, enquanto o grupo III, sem genes de rodopsina, é em grande parte responsável pela alta abundância relativa de SAR202 no oceano escuro.

O cultivo de tipos de células não representadas é uma prioridade para os microbiologistas porque as células exibem frequentemente propriedades que não podem ser facilmente previstas a partir dos seus genomas . Um estudo recente mostrou que a inferência baseada no genoma não consegue prever com segurança as vias catabólicas para mais de 50% das fontes de carbono utilizadas por diversos procariontes que possuem dados fenotípicos bem curados15. Apesar do recente aumento no interesse e dos avanços tecnológicos no cultivo, uma elevada proporção de grupos procarióticos permanece inculta16. O clado SAR202 ainda não possui isolados cultivados, o que o torna um dos “mais procurados” em cultura e um “alvo chave para cultivo”14,17.

Aqui relatamos o cultivo bem-sucedido da bactéria SAR202. Vinte e quatro isolados do subclado I foram recuperados de amostras de água do mar superficial por diluição até extinção em meio de água do mar estéril. A reconstrução metabólica apoiada por dados experimentais com células implicou parálogos da enolase e da desidrogenase na oxidação não fosforilativa do açúcar. Propomos que múltiplas vias metabólicas paralelas deste tipo permitem que estas células colham misturas complexas de compostos relacionados com o açúcar a partir de reservatórios de carbono orgânico dissolvido. O SAR202, encontrado em toda a coluna de água dos oceanos modernos, evoluiu simultaneamente com o aumento da fototrofia oxigenada . Propomos que eles se expandam para o nicho de colheita de moléculas diluídas e diversas relacionadas a carboidratos à medida que os oceanos são oxidados.