Влияние условий культивирования на экспрессию гена протеородопсин Exiguobacterium sibiricum

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рекомбинантный протеородопсин ESR грамположительной бактерии Exiguobacterium sibiricum, выделенной из многолетнемерзлых отложений Северо-Востока Сибири, связывает ретиналь и является светозависимой протонной помпой, однако о его экспрессии в природных условиях ничего не известно. В данной работе проведено исследование экспрессии гена esr в культурах E. sibiricum, выращенных в различных условиях, методом количественной ПЦР. Установлено, что культивирование на бедных средах при пониженной температуре способствует значительному увеличению уровня синтеза соответствующей мРНК. Полученные данные подтверждаются результатами анализа мембранной фракции клеток с помощью безметочной количественной хромато-масс-спектрометрии. Также при 10 °С наблюдается повышенное содержание фитоендесатураз, которые участвуют в биосинтезе каротиноидов. Однако нам не удалось обнаружить наличие в клетках функционального ретиналь-содержащего белка, предположительно, из-за отсутствия ферментативной системы синтеза ретиналя у E. sibiricum. Возможные функции ESR в клетках E. sibiricum обсуждаются в связи с особенностями экстремальной среды обитания бактерии. Результаты работы способствуют расширению представлений о молекулярных механизмах адаптации микроорганизмов к условиям внешней среды и о потенциальной роли микробных родопсинов в этих процессах.

Об авторах

Л. Е. Петровская

ФГБУН ГНЦ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Московский физико-технический институт

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва; Долгопрудный, Московская обл.

Е. В. Спирина

ФГБУН Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: lpetr65@yahoo.com
Пущино, Московская обл.

А. Ю. Суханов

ФИЦ "Казанский научный центр РАН"

Email: lpetr65@yahoo.com
Казань

Е. А. Крюкова

ФГБУН ГНЦ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва

Е. П. Лукашев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва

Р. Х. Зиганшин

ФГБУН ГНЦ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва

Е. М. Ривкина

ФГБУН Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Email: lpetr65@yahoo.com
Пущино, Московская обл.

Д. А. Долгих

ФГБУН ГНЦ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва

М. П. Кирпичников

ФГБУН ГНЦ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет

Email: lpetr65@yahoo.com
Москва

Список литературы

  1. Rozenberg, A., Inoue, K., Kandori, H., and Beja, O. (2021) Microbial rhodopsins: the last two decades, Annu. Rev. Microbiol., 75, 427-447, https://doi.org/10.1146/annurev-micro-031721-020452.
  2. Pinhassi, J., DeLong, E. F., Beja, O., Gonzalez, J. M., and Pedros-Alio, C. (2016) Marine bacterial and archaeal ion-pumping rhodopsins: genetic diversity, physiology, and ecology, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 80, 929-954, https://doi.org/10.1128/mmbr.00003-16.
  3. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Li, H., and Spudich, J. L. (2017) Microbial rhodopsins: diversity, mechanisms, and optogenetic applications, Annu. Rev. Biochem., 86, 845-872, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-101910-144233.
  4. Gordeliy, V., Kovalev, K., Bamberg, E., Rodriguez-Valera, F., Zinovev, E., Zabelskii, D., Alekseev, A., Rosselli, R., Gushchin, I., and Okhrimenko, I. (2022) Microbial rhodopsins, in Rhodopsin: Methods and Protocols (Gordeliy, V. ed) Springer US, New York, NY, pp. 1-52, https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2329-9_1.
  5. Brown, L. S. (2022) Light-driven proton transfers and proton transport by microbial rhodopsins - A biophysical perspective, Biochim. Biophys. Acta, 1864, 183867, https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2022.183867.
  6. Martinez, A., Bradley, A. S., Waldbauer, J. R., Summons, R. E., and DeLong, E. F. (2007) Proteorhodopsin photosystem gene expression enables photophosphorylation in a heterologous host, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 104, 5590-5595, https://doi.org/10.1073/pnas.0611470104.
  7. Atamna-Ismaeel, N., Finkel, O. M., Glaser, F., Sharon, I., Schneider, R., Post, A. F., Spudich, J. L., von Mering, C., Vorholt, J. A., Iluz, D., Beja, O., and Belkin, S. (2012) Microbial rhodopsins on leaf surfaces of terrestrial plants, Environ. Microbiol., 14, 140-146, https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2011.02554.x.
  8. Beja, O., Spudich, E. N., Spudich, J. L., Leclerc, M., and DeLong, E. F. (2001) Proteorhodopsin phototrophy in the ocean, Nature, 411, 786-789, https://doi.org/10.1038/35081051.
  9. Atamna-Ismaeel, N., Sabehi, G., Sharon, I., Witzel, K.-P., Labrenz, M., Jurgens, K., Barkay, T., Stomp, M., Huisman, J., and Beja, O. (2008) Widespread distribution of proteorhodopsins in freshwater and brackish ecosystems, ISME J., 2, 656-662, https://doi.org/10.1038/ismej.2008.27.
  10. Koh Eileen, Y., Atamna-Ismaeel, N., Martin, A., Cowie Rebecca, O. M., Beja, O., Davy Simon, K., Maas Elizabeth, W., and Ryan Ken, G. (2010) Proteorhodopsin-bearing bacteria in antarctic sea ice, Appl. Environ. Microbiol., 76, 5918-5925, https://doi.org/10.1128/AEM.00562-10.
  11. Gomez-Consarnau, L., Akram, N., Lindell, K., Pedersen, A., Neutze, R., Milton, D. L., Gonzalez, J. M., and Pinhassi, J. (2010) Proteorhodopsin phototrophy promotes survival of marine bacteria during starvation, PLOS Biol., 8, e1000358, https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000358.
  12. Steindler, L., Schwalbach, M. S., Smith, D. P., Chan, F., and Giovannoni, S. J. (2011) Energy starved candidatus Pelagibacter ubique substitutes light-mediated ATP production for endogenous carbon respiration, PLoS One, 6, e19725, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0019725.
  13. DeLong, E. F., and Beja, O. (2010) The light-driven proton pump proteorhodopsin enhances bacterial survival during tough times, PLoS Biol., 8, e1000359, https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000359.
  14. Gomez-Consarnau, L., Raven, J. A., Levine, N. M., Cutter, L. S., Wang, D., Seegers, B., Aristegui, J., Fuhrman, J. A., Gasol, J. M., and Sanudo-Wilhelmy, S. A. (2019) Microbial rhodopsins are major contributors to the solar energy captured in the sea, Sci. Adv., 5, eaaw8855, https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw8855.
  15. Finkel, O. M., Beja, O., and Belkin, S. (2013) Global abundance of microbial rhodopsins, ISME J., 7, 448-451, https://doi.org/10.1038/ismej.2012.112.
  16. Feng, S., Powell, S. M., Wilson, R., and Bowman, J. P. (2013) Light-stimulated growth of proteorhodopsin-bearing sea-ice psychrophile Psychroflexus torquis is salinity dependent, ISME J., 7, 2206-2213.
  17. Kondo, K., Ohtake, R., Nakano, S., Terashima, M., Kojima, H., Fukui, M., Demura, M., Kikukawa, T., and Tsukamoto, T. (2024) Contribution of proteorhodopsin to light-dependent biological responses in Hymenobacter nivis P3T isolated from red snow in antarctica, Biochemistry, 63, 2257-2265, https://doi.org/10.1021/acs.biochem.4c00286.
  18. Kim, S.-H., Jung, B., Hong, S. G., and Jung, K.-H. (2020) Temperature dependency of proton pumping activity for marine microbial rhodopsin from antartic ocean, Sci. Rep., 10, 1356, https://doi.org/10.1038/s41598-020-58023-5.
  19. Lamm, G. H. U., Marin, E., Alekseev, A., Schellbach, A. V., Stetsenko, A., Bourenkov, G., Borshchevskiy, V., Asido, M., Agthe, M., Engilberge, S., Rose, S. L., Caramello, N., Royant, A., Schneider, T. R., Bateman, A., Mager, T., Moser, T., Wachtveitl, J., Guskov, A., and Kovalev, K. (2024) CryoRhodopsins: a comprehensive characterization of a group of microbial rhodopsins from cold environments, bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2024.01.15.575777.
  20. Guerrero, L. D., Vikram, S., Makhalanyane, T. P., and Cowan, D. A. (2017) Evidence of microbial rhodopsins in Antarctic Dry Valley edaphic systems, Environ. Microbiol., 19, 3755-3767, https://doi.org/https://doi.org/10.1111/1462-2920.13877.
  21. Rodrigues, D. F., Goris, J., Vishnivetskaya, T., Gilichinsky, D., Thomashow, M. F., and Tiedje, J. M. (2006) Characterization of Exiguobacterium isolates from the Siberian permafrost. Description of Exiguobacterium sibiricum sp. nov, Extremophiles, 10, 285-294, https://doi.org/10.1007/s00792-005-0497-5.
  22. Petrovskaya, L. E., Lukashev, E. P., Chupin, V. V., Sychev, S. V., Lyukmanova, E. N., Kryukova, E. A., Ziganshin, R. H., Spirina, E. V., Rivkina, E. M., Khatypov, R. A., Erokhina, L. G., Gilichinsky, D. A., Shuvalov, V. A., and Kirpichnikov, M. P. (2010) Predicted bacteriorhodopsin from Exiguobacterium sibiricum is a functional proton pump, FEBS Lett., 584, 4193-4196, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2010.09.005.
  23. Balashov, S. P., Petrovskaya, L. E., Lukashev, E. P., Imasheva, E. S., Dioumaev, A. K., Wang, J. M., Sychev, S. V., Dolgikh, D. A., Rubin, A. B., Kirpichnikov, M. P., and Lanyi, J. K. (2012) Aspartate-histidine interaction in the retinal Schiff base counterion of the light-driven proton pump of Exiguobacterium sibiricum, Biochemistry, 51, 5748-5762, https://doi.org/10.1021/bi300409m.
  24. Balashov, S. P., Petrovskaya, L. E., Imasheva, E. S., Lukashev, E. P., Dioumaev, A. K., Wang, J. M., Sychev, S. V., Dolgikh, D. A., Rubin, A. B., Kirpichnikov, M. P., and Lanyi, J. K. (2013) Breaking the carboxyl rule: lysine 96 facilitates reprotonation of the Schiff base in the photocycle of a retinal protein from Exiguobacterium sibiricum, J. Biol. Chem., 288, 21254-21265, https://doi.org/10.1074/jbc.M113.465138.
  25. Petrovskaya, L., Balashov, S., Lukashev, E., Imasheva, E., Gushchin, I. Y., Dioumaev, A., Rubin, A., Dolgikh, D., Gordeliy, V., Lanyi, J., and Kirpichnikov, M. (2015) ESR - a retinal protein with unusual properties from Exiguobacterium sibiricum, Biochemistry (Moscow), 80, 688-700, https://doi.org/10.1134/S000629791506005X.
  26. Siletsky, S. A., Mamedov, M. D., Lukashev, E. P., Balashov, S. P., Dolgikh, D. A., Rubin, A. B., Kirpichnikov, M. P., and Petrovskaya, L. E. (2016) Electrogenic steps of light-driven proton transport in ESR, a retinal protein from Exiguobacterium sibiricum, Biochim. Biophys. Acta, 1857, 1741-1750, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2016.08.004.
  27. Petrovskaya, L. E., Siletsky, S. A., Mamedov, M. D., Lukashev, E. P., Balashov, S. P., Dolgikh, D. A., and Kirpichnikov, M. P. (2023) Features of the mechanism of proton transport in ESR, retinal protein from Exiguobacterium sibiricum, Biochemistry (Moscow), 88, 1544-1554, https://doi.org/10.1134/s0006297923100103.
  28. Gushchin, I., Chervakov, P., Kuzmichev, P., Popov, A. N., Round, E., Borshchevskiy, V., Ishchenko, A., Petrovskaya, L., Chupin, V., Dolgikh, D. A., Arseniev, A. S., Kirpichnikov, M., and Gordeliy, V. (2013) Structural insights into the proton pumping by unusual proteorhodopsin from nonmarine bacteria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 12631-12636, https://doi.org/10.1073/pnas.1221629110.
  29. Rappsilber, J., Mann, M., and Ishihama, Y. (2007) Protocol for micro-purification, enrichment, pre-fractionation and storage of peptides for proteomics using StageTips, Nat. Protocols, 2, 1896-1906, https://doi.org/10.1038/nprot.2007.261.
  30. Tyanova, S., Temu, T., and Cox, J. (2016) The MaxQuant computational platform for mass spectrometry-based shotgun proteomics, Nat. Protocols, 11, 2301-2319, https://doi.org/10.1038/nprot.2016.136.
  31. Tyanova, S., Temu, T., Sinitcyn, P., Carlson, A., Hein, M. Y., Geiger, T., Mann, M., and Cox, J. (2016) The Perseus computational platform for comprehensive analysis of (prote)omics data, Nat. Meth., 13, 731-740, https://doi.org/10.1038/nmeth.3901.
  32. Rodrigues, D. F., Ivanova, N., He, Z., Huebner, M., Zhou, J., and Tiedje, J. M. (2008) Architecture of thermal adaptation in an Exiguobacterium sibiricum strain isolated from 3 million year old permafrost: a genome and transcriptome approach, BMC Genomics, 9, 547, https://doi.org/10.1186/1471-2164-9-547.
  33. Jinendiran, S., Dileep Kumar, B. S., Dahms, H.-U., Arulanandam, C. D., and Sivakumar, N. (2019) Optimization of submerged fermentation process for improved production of beta-carotene by Exiguobacterium acetylicum S01, Heliyon, 5, e01730, https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01730.
  34. Patel, V. K., Srivastava, R., Sharma, A., Srivastava, A. K., Singh, S., Srivastava, A. K., Kashyap, P. L., Chakdar, H., Pandiyan, K., Kalra, A., and Saxena, A. K. (2018) Halotolerant Exiguobacterium profundum PHM11 tolerate salinity by accumulating L-proline and fine-tuning gene expression profiles of related metabolic pathways, Front. Microbiol., 9, 423, https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00423.
  35. Gilichinsky, D. A., and Rivkina, E. M. (2011) Permafrost microbiology, in Encyclopedia of Geobiology, Springer, pp. 726-732, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9212-1_162.
  36. Jansson, J. K., and Tas, N. (2014) The microbial ecology of permafrost, Nat. Rev. Microbiol., 12, 414-425, https://doi.org/10.1038/nrmicro3262.
  37. Akram, N., Palovaara, J., Forsberg, J., Lindh, M. V., Milton, D. L., Luo, H., Gonzalez, J. M., and Pinhassi, J. (2013) Regulation of proteorhodopsin gene expression by nutrient limitation in the marine bacterium Vibrio sp. AND4, Environ. Microbiol., 15, 1400-1415, https://doi.org/https://doi.org/10.1111/1462-2920.12085.
  38. Kimura, H., Young, C. R., Martinez, A., and DeLong, E. F. (2011) Light-induced transcriptional responses associated with proteorhodopsin-enhanced growth in a marine flavobacterium, ISME J., 5, 1641-1651, https://doi.org/10.1038/ismej.2011.36.
  39. Kopejtka, K., Tomasch, J., Kaftan, D., Gardiner, A. T., Bina, D., Gardian, Z., Bellas, C., Droge, A., Geffers, R., Sommaruga, R., and Koblizek, M. (2022) A bacterium from a mountain lake harvests light using both proton-pumping xanthorhodopsins and bacteriochlorophyll-based photosystems, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 119, e2211018119, 10.1073/pnas.2211018119' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.1073/pnas.2211018119.
  40. Liu, Q., Li, W., Liu, D., Li, L., Li, J., Lv, N., Liu, F., Zhu, B., Zhou, Y., Xin, Y., and Dong, X. (2021) Light stimulates anoxic and oligotrophic growth of glacial Flavobacterium strains that produce zeaxanthin, ISME J., 15, 1844-1857, https://doi.org/10.1038/s41396-020-00891-w.
  41. Klassen, J. L. (2010) Phylogenetic and evolutionary patterns in microbial carotenoid biosynthesis are revealed by comparative genomics, PLoS One, 5, e11257, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0011257.
  42. Jaffe, A. L., Konno, M., Kawasaki, Y., Kataoka, C., Beja, O., Kandori, H., Inoue, K., and Banfield, J. F. (2022) Saccharibacteria harness light energy using type-1 rhodopsins that may rely on retinal sourced from microbial hosts, ISME J., 16, 2056-2059, https://doi.org/10.1038/s41396-022-01231-w.
  43. Keffer, J. L., Hahn, M. W., and Maresca, J. A. (2015) Characterization of an unconventional rhodopsin from the freshwater actinobacterium Rhodoluna lacicola, J. Bacteriol., 197, 2704-2712, 10.1128/jb.00386-15' target='_blank'>https://doi.org/doi: 10.1128/jb.00386-15.
  44. Fang, J., Zhang, Y., Zhu, T., and Li, Y. (2023) Scramblase activity of proteorhodopsin confers physiological advantages to Escherichia coli in the absence of light, iScience, 26, 108551, https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.108551.
  45. Raymond-Bouchard, I., and Whyte, L. G. (2017) From transcriptomes to metatranscriptomes: cold adaptation and active metabolisms of psychrophiles from cold environments, in Psychrophiles: From Biodiversity to Biotechnology (Margesin, R. ed), Springer International Publishing, Cham, pp. 437-457, https://doi.org/10.1007/978-3-319-57057-0_18.
  46. Wu, G., Baumeister, R., and Heimbucher, T. (2023) Molecular mechanisms of lipid-based metabolic adaptation strategies in response to cold, Cells, 12, https://doi.org/10.3390/cells12101353.
  47. Zhao, Z., Liu, Z., and Mao, X. (2020) Biotechnological advances in lycopene beta-cyclases, J. Agric. Food Chem., 68, 11895-11907, https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c04814.
  48. Sajjad, W., Din, G., Rafiq, M., Iqbal, A., Khan, S., Zada, S., Ali, B., and Kang, S. (2020) Pigment production by cold-adapted bacteria and fungi: colorful tale of cryosphere with wide range applications, Extremophiles, 24, 447-473, https://doi.org/10.1007/s00792-020-01180-2.
  49. Collins, T., and Margesin, R. (2019) Psychrophilic lifestyles: mechanisms of adaptation and biotechnological tools, Appl. Microbiol. Biotechnol., 103, 2857-2871, https://doi.org/10.1007/s00253-019-09659-5.
  50. Singh, A., Krishnan, K. P., Prabaharan, D., and Sinha, R. K. (2017) Lipid membrane modulation and pigmentation: A cryoprotection mechanism in Arctic pigmented bacteria, J. Basic Microbiol., 57, 770-780, https://doi.org/10.1002/jobm.201700182.
  51. Seel, W., Baust, D., Sons, D., Albers, M., Etzbach, L., Fuss, J., and Lipski, A. (2020) Carotenoids are used as regulators for membrane fluidity by Staphylococcus xylosus, Sci. Rep., 10, 330, https://doi.org/10.1038/s41598-019-57006-5.
  52. Jagannadham, M. V., Chattopadhyay, M. K., Subbalakshmi, C., Vairamani, M., Narayanan, K., Rao, C. M., and Shivaji, S. (2000) Carotenoids of an Antarctic psychrotolerant bacterium, Sphingobacterium antarcticus, and a mesophilic bacterium, Sphingobacterium multivorum, Arch. Microbiol., 173, 418-424, https://doi.org/10.1007/s002030000163.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».