Ранее неохарактеризованные прямоугольные бактериальные структуры во рту дельфина. - Группа Фошаньских горнодобывающих лабораторий, ООО

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2098 (2023) Цитировать эту статью

4218 Доступов

36 Альтметрика

Подробности о метриках

Многое еще предстоит изучить в отношении разнообразия некультивируемых микробов, связанных с хозяином. Здесь мы описываем прямоугольные бактериальные структуры (RBS) во рту афалин. Окрашивание ДНК выявило множественные парные полосы внутри RBS, что указывает на наличие клеток, делящихся вдоль продольной оси. Криогенная трансмиссионная электронная микроскопия и томография показали параллельные мембраносвязанные сегменты, которые, вероятно, являются клетками, инкапсулированными в периодическое поверхностное покрытие, подобное S-слою. RBS демонстрировали необычные пилообразные придатки с пучками нитей, раскинутыми на концах. Мы представляем несколько линий доказательств, включая секвенирование геномной ДНК микроманипулированных RBS, секвенирование генов 16S рРНК и флуоресцентную гибридизацию in situ, предполагая, что RBS являются бактериальными и отличаются от родов Simonsiella и Conchiformibius (семейство Neisseriaceae), с которыми они имеют схожую морфологию. и узор деления. Наши результаты подчеркивают разнообразие новых микробных форм и образов жизни, которые ждут характеристики с использованием инструментов, дополняющих геномику, таких как микроскопия.

Самые ранние описания микробного мира были сосредоточены на морфологии и моделях подвижности «животных»1. За столетия, прошедшие после революционного открытия ван Левенгука, было описано огромное разнообразие микробных форм: от звездообразных бактерий рода Stella2,3 до многоклеточных плодовых тел, характерных для порядка Myxobacterales4,5. Морфология является биологически важной характеристикой, часто высококонсервативной и формируемой с течением времени под давлением отбора, обусловленного образом жизни организма и контекстом окружающей среды6. Действительно, морфология клеток играет важную роль в подвижности, приобретении питательных веществ, делении клеток и взаимодействии с другими клетками, включая симбиозы с хозяевами, все из которых являются сильными детерминантами выживания7. Таким образом, морфологические и структурные исследования открывают привлекательный путь для получения информации о микробных формах жизни и механизмах, с помощью которых виды функционируют и влияют на окружающую среду. Более того, описание структур и функций разнообразного спектра микробов в неизведанных ветвях древа жизни дает возможность расширить наше понимание эволюции и может привести к множеству применений в биотехнологии и медицине, примером чего является развитие оптогенетики8 и CRISPR-технологий. основанное на редактировании генов9.

Геномика служит мощной линзой для описания мира микробов. В последние годы метагеномный и одноклеточный геномный анализ существенно увеличил количество известных линий микробного типа почти в четыре раза в бактериальном домене10,11,12,13. Секвенирование геномов недавно открытых организмов привело к открытию новых функциональных систем, типов вариантов белков и образа жизни11,14,15,16,17, иллюстрируя корреляцию между филогенетическим разнообразием и функциональным потенциалом18. Однако применимость таких подходов в основном ограничивается белками и регуляторными системами, гомологичными белкам и регуляторным системам хорошо охарактеризованных организмов; предсказание фенотипов и функций, которые действительно являются новыми и/или генетическая основа которых неизвестна, обычно требует дополнительных знаний. Учитывая непереносимость большинства видов микробов на Земле к лабораторному культивированию (в 2016 году в 72% линий примерно на уровне филума отсутствовали какие-либо культивируемые представители)19, методы, не требующие культивируемых изолятов, такие как микроскопия, предлагают привлекательный, дополнительный путь для изучения новых морфологических и функциональных свойств некультивируемых линий. Например, недавние достижения в области криогенной электронной микроскопии (криоЭМ) и томографии (криоЭТ) позволили получить трехмерную (3D) визуализацию интактных бактериальных клеток с разрешением в несколько нанометров20, что привело к важным достижениям в открытии и описании новых микробных клеток. структуры21,22. В настоящее время наши знания в области клеточной биологии в основном ограничены наблюдением и экспериментированием с бактериями, которые можно культивировать, и поэтому в нашем понимании существует серьезная предвзятость в отношении организмов, способствующих росту в лабораторных условиях. Использование микроскопии и методов, не основанных на секвенировании, для изучения «некультивируемого большинства» будет иметь важное значение для характеристики всего разнообразия развившегося образа жизни бактерий, особенно усилий по характеристике бактерий в относительно неизученных средах, таких как ротовая полость афалин. дельфины (Tursiops truncatus), обладающие богатой коллекцией новых микробов и функциональным потенциалом16,23.

0% and <1%, red: 0%. The negative-control panel (Neg) presents the same information for each of the samples that did not appear to contain RBS-As. Criteria for gauging the likelihood of a bin deriving from the RBS-As are shown: (Genomics) Was the bin ever present in negative controls (green = no, yellow = yes but never ≥1% relative abundance, orange = yes but never ≥5%, red = yes and at least once ≥5%)? (Gram stain) Are members of this taxonomic group known to be Gram-negative, like the RBSs? (16S 75%+) Of ASVs detected in >75% of samples that underwent 16S rRNA gene amplicon sequencing and were visually confirmed to contain >10 RBS-As (n = 13), was an ASV of this taxonomic identity? Numbers in boxes indicate the number of samples in which this ASV was present. For recovered bins detected only to the level of class Gammaproteobacteria, a large and diverse group, this criterion is marked in yellow and ASV counts are not shown. (FISH) Based on FISH results, which bins are supported as potential candidates for the RBS-As? A cross (†) denotes that members of the phylum Gracilibacteria are inferred not to be Gram-negative from genomic studies (although they are not necessarily Gram-positive)92. The highest likelihood candidates are green for all three criteria./p>

500–600 nm thick), low signal-to-noise ratio of the tomograms, and limiting characteristics of the features in question, such as the variable curvature of the regions with stretches of continuous periodic surface covering. Successful subtomogram averaging typically relies on averaging identical structures, for example, repeated copies of a macromolecular complex, such as ribosomes in the same functional state. One can compensate for structural variability in the form of conformational and compositional heterogeneity with large datasets composed of thousands of subtomograms in combination with advanced classification methods. However, in our datasets, both the pilus-like appendages (Fig. 7a–c) and the S-layer-like surface feature (Fig. 7a, d, e) were structurally heterogenous and sparsely distributed in the RBS-As (e.g., the S-layer-like surface feature is not continuous along the entire membrane of the RBS-As, and in the stretches where it is, it exhibits differential curvature) and thus were observed only in a fraction of our tomograms./p>

3% gaps or rows with <50% sequence were removed. rpS3 protein sequences were aligned using Clustal Omega85,86 v. 1.2.4 and columns containing >5% gaps or rows with <50% sequence were removed. Both phylogenies were inferred using PhyML87 v. 3.1 with 1000 bootstrap replicates, with model selection performed using smart model selection88 (GTR+R for the 16S rRNA gene and Q.yeast+G+I for the rpS3 protein). Trees were visualized using iTOL89 v. 6./p>