Unerwartete Komplexität der Ammoniakmonooxygenase in Archaeen

The ISME Journal Band 17, Seiten 588–599 (2023)Diesen Artikel zitieren

2820 Zugriffe

1 Zitate

28 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde am 28. April 2023 veröffentlicht

Dieser Artikel wurde aktualisiert

Die Ammoniakoxidation ist als erster Schritt der Nitrifikation ein kritischer Prozess im globalen Stickstoffkreislauf. Es fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse über ihr Schlüsselenzym, die kupferabhängige Ammoniakmonooxygenase, insbesondere für die in der Umwelt häufig vorkommenden Ammoniak-oxidierenden Archaeen (AOA). Hier wird die Struktur des Enzyms mittels blau-nativer Gelelektrophorese und Proteomik aus nativen Membrankomplexen zweier AOA untersucht. Neben den bekannten AmoABC-Untereinheiten und dem früher vorhergesagten AmoX wurden zwei neue Proteinuntereinheiten, AmoY und AmoZ, identifiziert. Sie sind einzigartig für AOA, hochkonserviert und koreguliert, und ihre Gene sind mit anderen Genen der AMO-Untereinheit in optimierten AOA-Genomen verknüpft. Modellierungs- und In-Gel-Vernetzungsansätze unterstützen eine Gesamtstruktur des Protomers, die der entfernt verwandten bakteriellen partikulären Methanmonooxygenase ähnelt, zeigen aber auch deutliche Unterschiede in den extrazellulären Domänen des Enzyms. Diese Daten eröffnen Möglichkeiten für weitere Struktur-Funktions-Studien dieses ökologisch wichtigen Nitrifikationskomplexes.

Die Nitrifikation, die Umwandlung von Ammonium in Nitrat, ist ein entscheidender Schritt im globalen Stickstoffkreislauf, der ausschließlich von Mikroorganismen durchgeführt wird. Das Verfahren hat aufgrund seiner landwirtschaftlichen und ökologischen Relevanz besondere Aufmerksamkeit erregt. Der erste und geschwindigkeitsbestimmende [1] Schritt der Nitrifikation ist die Oxidation von Ammoniak über den integralen Membranproteinkomplex Ammoniakmonooxygenase (AMO) [2, 3]. Während ammoniakoxidierende Bakterien (AOB) erstmals vor über 125 Jahren entdeckt wurden [4] und umfassend untersucht wurden, wurde dieser biologische Prozess in den letzten 20 Jahren auch im archaischen Bereich entdeckt [5,6,7]. Ammoniakoxidierende Archaeen (AOA) haben große Aufmerksamkeit erregt, da sie in der Natur weit verbreitet sind und in den meisten terrestrischen und marinen Umgebungen häufiger vorkommen als ihre bakteriellen Gegenstücke, was auf eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf hinweist [8,9,10,11,12,13]. ,14]. Ihr zentraler Stickstoff- und Kohlenstoffstoffwechsel unterscheidet sich jedoch von dem von AOB [15,16,17,18]. Insbesondere weisen die Untereinheiten des AMO-Komplexes nur etwa 40 % Identität mit denen von Bakterien auf [19] und archaische Proteine, die den zweiten Schritt der Ammoniakoxidation, also die Umwandlung von Hydroxylamin in Nitrit, katalysieren, sind noch unbekannt [19,20,21] . Diese Unterschiede implizieren eine wichtige funktionale Differenzierung ihrer Umweltrollen, die noch entschlüsselt werden muss.

Aufgrund der Schwierigkeit, nitrifizierende Organismen zu züchten, und der inhärenten Probleme bei der Isolierung von Membranproteinen wurden keine Strukturstudien für AMO-Komplexe, weder Bakterien noch Archaeen, erfolgreich durchgeführt. Dies gilt mit wenigen bemerkenswerten Ausnahmen für die meisten verschiedenen Enzyme der CuMMO-Proteinfamilie (Kupfer-abhängige Membranmonooxygenase). Kristallstrukturen [22,23,24,25,26] und Kryo-EM-Strukturen [27, 28] der partikulären Methanmonooxygenase (pMMO) aus fünf Methanotrophen haben durchweg ein Drei-Polypeptid-Protomer (Untereinheiten A, -B und -) bestätigt. C) in einem Trimer der α3β3γ3-Konfiguration mit mindestens zwei konservierten Metallstellen in jedem Protomer angeordnet. Dennoch blieb die Aufklärung des aktiven Zentrums unklar. Es wurde zunächst vorgeschlagen, dass es sich in der PmoB-Untereinheit von pMMO befindet [29]. Eine kürzlich durchgeführte Kryo-EM-Analyse bestätigt, dass das aktive Zentrum hauptsächlich durch PmoA koordiniert wird [27], während die Aminosäurekonservierung bei Verrucomicrobia unterschiedlich ist [30], eine aktuelle spektroskopische Analyse [31] und die Mutagenese einer Kohlenwasserstoffmonooxygenase [32]. deuten auf eine Lokalisierung in der PmoC-Untereinheit hin.

Obwohl keine AMO-Struktur experimentell bestimmt wurde, stützte die Homologiemodellierung für das AMO des Bakteriums Nitrosomonas europaea unter Verwendung von pMMO als Matrize eine homotrimere Struktur sowie die Erhaltung der CuB- und CuC-Kupferstellen [33]. Der archaische AMO-Komplex ist das am weitesten verwandte aller CuMMO-Proteine ​​[34, 35] und über seine Struktur oder Funktion ist bisher nur sehr wenig bekannt. Allein auf der Grundlage vergleichender Metagenomik wurde vermutet, dass im Komplex eine zusätzliche Untereinheit mit der Bezeichnung AmoX vorhanden sein könnte [15, 36].

Um Einblicke in die Gesamtarchitektur des archaischen AMO-Komplexes zu gewinnen, wurden Membranproteinfraktionen aus der gut charakterisierten Boden-AOA, Nitrososphaera viennensis, biochemisch mithilfe nativer Gelelektrophorese, Massenspektrometrie und chemischer Vernetzung analysiert. Neben den drei bekannten AmoABC-Proteinen wurden drei weitere potenzielle Untereinheiten identifiziert und eines der sechs vorhergesagten AmoC-Proteine ​​in N. viennensis als primäres Homolog im Proteinkomplex erkannt. Darüber hinaus wurde die Gesamtzusammensetzung der Untereinheiten des AMO-Komplexes in der entfernt verwandten thermophilen AOA Nitrosocaldus cavascurensis bestätigt.

Nitrososphaera viennensis wurde als kontinuierliche Kultur in 2-l-Bioreaktoren (Eppendorf) gezüchtet, die mit 1,5 l Süßwassermedium (FWM) [37, 38] mit modifizierter Spurenelementlösung [5], 7,5 µM FeNaEDTA, 2 mM NH4Cl und 1 mM gefüllt waren Pyruvat bei 42 °C und pH 7,5. Die Karbonatversorgung erfolgte durch Begasung der Reaktoren mit einem Gemisch aus 98 % Luft und 2 % CO2. Die angewandten Verdünnungsraten lagen zwischen 0,035 und 0,07 h−1.

Nitrosocaldus cavascurensis wurde als Batch-Kultur in denselben Reaktoren, demselben Volumen und demselben Medium wie für N. viennensis beschrieben gezüchtet, jedoch bei 68 °C mit 1 mM NH4Cl, 1 mM Pyruvat und pH 7,0. Carbonat wurde ebenfalls durch Begasung zugeführt, jedoch mit einer Mischung aus Luft/N2/CO2, um eine Mischung aus 10 % O2 und 2 % CO2 zu erreichen. Um die Biomasse zu erhöhen, wurde vor der Ernte der Kulturen schrittweise NH4Cl mit Spritzen über ein Septum zugegeben, um die endgültige NO2−-Konzentration auf etwa 2,5 mM zu erhöhen.

Die geerntete Biomasse wurde in drei Zentrifugationsschritten konzentriert. Zuerst mit einer kontinuierlichen Zentrifuge (CEPA-Modell LE), die mit maximaler Geschwindigkeit läuft. Die Biomasse aus der kontinuierlichen Zentrifuge wurde dann in Volumina von 400 ml suspendiert und unter Verwendung eines Sorvall Lynx 4000 mit einem F12–6 × 500-Rotor 30 Minuten lang bei 4 ° C und 16.000 × g konzentriert. Schließlich wurde die Biomasse in kleinen Volumina resuspendiert und in 1,5-ml-Eppendorf-Röhrchen aliquotiert und 30 Minuten lang bei 4 °C und 16.000 × g unter Verwendung einer Tischzentrifuge zu einem endgültigen Pellet konzentriert. Die Pellets wurden bis zur weiteren Analyse bei –70 °C eingefroren.

Detaillierte Informationen zur bioinformatischen Analyse, Membranproteinextraktion, BN-PAGE-Methoden, Tricine-SDS-PAGE-Methoden, Massenspektrometrievorbereitung, Vernetzung, Datenanalyse und AlphaFold-Multimer-Vorhersagen finden Sie in den ergänzenden Materialien und Methoden.

Kurz gesagt, die Zellen wurden lysiert und Membranfraktionen wurden unter Verwendung von Ultrazentrifugation (Beckman Coulter Ultracentrifuge; SW 41 Ti Swinging-Bucket Rotor, kmax = 124; 200.000 × g) für 90 Minuten bei 4 ° C unter Verwendung dünnwandiger 13,2-ml-Polypropylenröhrchen mit einem Gehalt von isoliert Verzögerung auf 7 eingestellt. Membranproteine ​​wurden mit n-Dodecyl-β-D-Maltosid (DDM; Invitrogen BN2005) extrahiert und auf ein 3–12 % vorgefertigtes BN-PAGE-Gel (Invitrogen BN1001) geladen. Ausgewählte Banden wurden ausgeschnitten und mittels Massenspektrometrie zur Proteinidentifizierung analysiert. Die Verfahren zur Proteinextraktion und zum Ausführen eines BN-PAGE-Gels basierten auf früheren Studien [39, 40] und dem Handbuch zum NativePAGE Novex Bis-Tris Gel System von Life Technologies (MAN0000557). Das Studiendesign und die Analyse für Membranextraktion und BN-PAGE orientierten sich an früheren Studien [41, 42]. Die Vernetzungsmethoden basierten auf Protokollen von Hevler et al. (2021) [43].

Die massenspektrometrischen Proteomikdaten wurden über das Partner-Repository PRIDE [44] mit den Datensatzkennungen PXD035349, PXD034632 und PXD034475 für BN-PAGE von N. viennensis, BN-PAGE von N. cavascurensis und Cross-PAGE beim ProteomeXchange-Konsortium hinterlegt. jeweils verlinkte Beispiele. Relevante Skripte zur Analyse finden Sie im GitHub-Repository https://github.com/hodgskiss/Archaeal_AMO.

Nitrososphaera viennensis wurde mehrere Wochen lang unter optimalen Wachstumsbedingungen in Dauerkultur gezüchtet, um genügend Biomasse für biochemische Analysen zu erhalten (Melcher et al. [45]). Aus 450–550 mg Biomasse pro Präparat wurden zwischen 800–2000 µg Membranproteine ​​gewonnen, wovon etwa 40–50 µg pro Spur auf blau-native PAGE-Gele geladen wurden [39]. Nach der Optimierung der Bedingungen wurden 22 Banden ausgeschnitten und einer Massenspektrometrie unterzogen (siehe Ergänzende Materialien und Methoden; Abb. S1A). AMO-Untereinheiten (AmoA, AmoB und AmoC) gehörten zu den am häufigsten vorkommenden Proteinen (22 % der normalisierten iBAQ-Intensität), die insgesamt in diesen Membranfraktionen nachgewiesen wurden. Die relativen Intensitätsprofile von AmoA, AmoB und AmoC zeigten drei unterschiedliche Peaks, die den Banden 4, 7 und 12 entsprachen, wobei der auffälligste Peak bei Band 7 auftrat (Abb. 1A). Die Untereinheiten AmoA, AmoB und AmoC machten 10 %, 5 % bzw. 14 % des Gesamtproteins aus, das in Bande 7 gefunden wurde, basierend auf iBAQ-normalisierten Intensitäten. AmoX war auch in Bande 7 vorhanden, was 10 % entspricht. Die intensivsten Signale für die AmoC-Untereinheit wurden von zwei der sechs AmoC-Homologen, AmoC6 und AmoC4, repräsentiert. Diese beiden Homologen konnten anhand der im BN-PAGE-Gel identifizierten Peptide nicht unterschieden werden. Bei der denaturierenden Tricine-SDS-PAGE von Ausschnitten aus Bande 7 wurden alle bekannten Komponenten des AMO-Komplexes sichtbar gemacht und durch Proteomik bestätigt (Abb. 2). Darüber hinaus ermöglichte dies die Identifizierung einzigartiger Peptide der AmoC6-Untereinheit (siehe ergänzende Diskussion).

Relative Häufigkeit iBAQ-normalisierter Intensitäten bekannter und mutmaßlicher AMO-Untereinheiten. Die iBAQ-Intensitäten für jedes Protein werden auf die höchste nachgewiesene Intensität dieses Proteins normiert, um ein relatives Häufigkeitsprofil für jedes Protein zu erstellen. A Muster der AMO-Intensität in N. viennensis. B Muster der AMO-Intensität in N. cavascurensis. Banden, die zum Schneiden und Analysieren mittels Massenspektroskopie ausgewählt wurden, werden durch nummerierte Klammern von links (Oberseite des Gels) nach rechts (Unterseite des Gels) angezeigt und entsprechen den Zahlen auf der x-Achse der jeweiligen Diagramme. Die Leitern für jedes Gel sind unten in den jeweiligen Feldern dargestellt.

Tricin-SDS-PAGE von AMO-Banden aus BN-PAGE-Gelen. Vergleich von drei verschiedenen Färbemethoden für Tricine-SDS-PAGE-Gele mit Größenmarkierungen auf der linken Seite. Banden, die zur Analyse aus einem mit SimplyBlue SafeStain gefärbten und mit Trypsin verdauten Gel geschnitten wurden, sind durch Klammern gekennzeichnet. Prozentsätze stellen den Prozentsatz der iBAQ-normalisierten Proteinintensitäten für jede einzelne Bande dar. Bandkennungen sind in Klammern angegeben. Grüne Pfeile mit den Markierungen A, B, C und Orangefarbene Pfeile mit den Markierungen A, B, C und Ein Kreisdiagramm der Bande mit der höchsten Menge an AmoC zeigt den Prozentsatz der AmoC-Banden, die von unterscheidbaren AmoC-Homologen stammen.

Um zusätzliche Proteine ​​zu identifizieren, die Teil des archaealen AMO-Komplexes sein könnten, wurde eine Korrelationsanalyse durchgeführt, um Kandidaten mit einem ähnlichen Migrationsmuster wie alle drei primären AMO-Untereinheiten AmoA, AmoB und AmoC4/C6 zu finden. Muster der 50 % am häufigsten vorkommenden Proteine ​​wurden mithilfe einer Kendall-Korrelation miteinander verglichen, um die Wahrscheinlichkeit einer Abhängigkeit zwischen verschiedenen Proteinen zu bestimmen, wobei der Schwerpunkt auf Proteinen lag, die mit bekannten AMO-Untereinheiten korrelierten. Weitere Kriterien waren (i) ihr Vorhandensein in vollständig sequenzierten AOA und (ii) ihr Fehlen in Arten, die kein Ammoniak oxidieren [46]. Die beiden Proteine, die diese Kriterien ursprünglich erfüllten, waren die mutmaßliche AMO-Untereinheit AmoX und ein hypothetisches Protein, NVIE_004540 (Tabelle 1). Die Migrationsmuster dieser Proteine ​​sind in Abb. 1A zu sehen. Während dieser unvoreingenommene Auswahlprozess weitere AMO-Kandidaten hervorbrachte, waren weitere Analysen erforderlich, um das Vorhandensein dieser neu identifizierten und anderer potenzieller Untereinheiten zu überprüfen.

Frühere Analysen bekannter Untereinheiten innerhalb der Bodenstämme oder der Familie Nitrososphaeraceae (wie in der Genome Taxonomy Database [47] definiert; durchgehend verwendet) haben einen allgemeinen Mangel an räumlicher Clusterung aller früher bekannten Untereinheitsgene gezeigt. Innerhalb der Familien Nitrosopumilaceae und Nitrosocaldaceae sind die Gene für die kanonischen AMO-Untereinheiten AmoABC und die vorgeschlagene Untereinheit AmoX jedoch syntenisch (36, 48, 49). Um die Co-Lokalisierung potenzieller zusätzlicher Untereinheitsgene zu untersuchen, wurden der syntenische Status und die Erhaltung der fünf Gene stromaufwärts und stromabwärts des Amo-Genclusters in Nitrosocaldaceae und Nitrosopumilaceae über die AOA analysiert. Von diesen Genen waren 19 in AOA konserviert, fünf davon kamen ausschließlich in AOA vor (Supplementary Dataset 2). Zu den fünf interessierenden Genen gehörten zwei kanonische Amo-Gene (amoA und amoB) sowie die Gene amoX, NVIE_004540 und NVIE_004550. Das Fehlen von amoC in den interessierenden Genen wird auf eine verkürzte Version im Genom von „Candidatus Nitrosopumilus koreensis AR1“ zurückgeführt (wahrscheinlich aufgrund von Montageproblemen), die eine Identifizierung als in allen AOA konserviert verhinderte. Das amoX-Gen wurde zuvor in metagenomischen Studien identifiziert [15, 36] und NVIE_004540 war bereits ein Kandidat, der anhand der BN-PAGE-Korrelationsanalyse identifiziert wurde. Das zusätzliche konservierte Protein NVIE_004550 wurde neu identifiziert und befindet sich direkt stromaufwärts von NVIE_004540, was auf eine mögliche Co-Transkription hinweist. Die beiden neuen Kandidaten kodieren für Polypeptide von 9,6 kDa bzw. 12,8 kDa und ihre vorhergesagte Sekundärstruktur ist – wie die Kandidatenuntereinheit AmoX – überwiegend helikal und ihre subzelluläre Lokalisierung transmembranös. Die beiden neuen Kandidaten-Amo-Gene NVIE_004540 und NVIE_004550 wurden daher als amoY bzw. amoZ bezeichnet.

Eine genauere Analyse bei Nitrosocaldaceae, der frühesten divergierenden Abstammungslinie in evolutionären Rekonstruktionen von AOA (46, 50), ergab, dass die Gene für die drei Kandidatenuntereinheiten für AMO (AmoX, AmoY-Homolog von NVIE_004540 und AmoZ-Homolog von NVIE_004550) räumlich geclustert waren mit den kanonischen Untereinheiten (AmoABC) und waren in Nitrosocaldus cavascurensis und Ca syntenisch. Nitrosocaldus islandicus. Eine räumliche Clusterung aller sechs Untereinheitsgene findet sich auch in kürzlich erhaltenen MAGs (51) innerhalb der Gattung Nitrosocaldus. Im Fall der neu vorgeschlagenen Gattung Ca. Nitrosothermus [51], Amo-Gene wurden auf mehrere Contigs aufgeteilt und die Syntenie konnte nicht definitiv bestimmt werden (Abb. 3). Darüber hinaus wird angenommen, dass alle sechs Amo-Gene vom letzten gemeinsamen Vorfahren von AOA neu erworben wurden [46].

Links: Phylogenetischer Baum von AOA basierend auf 32 konservierten ribosomalen Proteinen, ultraschnelle Bootstrap-Werte von 100 % sind als blaue Kreise angegeben. Taxonomische Etiketten sind entsprechend der Identität der GTDB-Familie gefärbt (47): Nitrosocaldaceae-rot, Nitrosopumilaceae-blau, Nitrososphaeraceae-orange. Fettgedruckte Kladen/Organismen wurden in die syntenische Analyse einbezogen. Die Kladen werden nach Alves et al. benannt. (2018) [34]. Rechts: Darstellung allgemeiner syntenischer Muster in verschiedenen AOA-Klassen. Lücken zwischen Genen auf demselben Contig werden durch eine Zick-Zack-Linie markiert. Ein doppelter Schrägstrich zeigt separate Contigs an. Die Zahlen unter den Zick-Zack-Linien geben die Anzahl der Gene zwischen den Genen der Amo-Untereinheit an. Eine genauere Analyse und eine vollständige Liste der Arten finden Sie in Abb. S11 bzw. im Ergänzungsdatensatz 2.

Die Entstehung von Nitrosopumilaceae ging mit einer Aufteilung dieser Genomregion in einen primären Cluster mit amoABCX und einen sekundären Cluster mit amoYZ einher (Abb. 3). Innerhalb von Nitrosotalea sp. sind diese Cluster 11–12 Gene voneinander entfernt, während diese Cluster bei den übrigen Nitrosopumilaceae-Arten nur 1–2 Gene voneinander entfernt sind (mit Ausnahme des Schwammsymbionten Ca. Cenarchaeum symbiosum). Die Entstehung der Familie Nitrososphaeraceae führte zu einer Streuung aller Untereinheitsgene über das Genom mit Ausnahme von amoA und amoX, die typischerweise miteinander verbunden sind.

Obwohl amoZ in der Genomanalyse identifiziert wurde, korrelierte das Protein AmoZ (NVIE_004550) nicht mit AmoABC im BN-PAGE-Gel von N. viennensis. Bei der Untersuchung des relativen Häufigkeitsprofils für AmoZ wurde das allgemeine Muster der AMO-Peptidpeaks befolgt. Dies blieb jedoch in der Korrelationsanalyse unentdeckt, da am Boden des Gels ein Peak mit hoher relativer Häufigkeit auftrat, der seinen Höhepunkt bei der letzten Bande erreichte, die auf der BN-PAGE-Leiter bei etwa 66 kDa gemessen wurde (Abb. 1A). Dies liegt über der vorhergesagten Masse von 12,8 kDa, deutet jedoch darauf hin, dass AmoZ ebenfalls Teil des AMO sein könnte, eine schwächere Assoziation jedoch möglicherweise zu seiner Dissoziation vom Komplex und seiner Migration zum Boden des Gels führen könnte.

Um die Zusammensetzung des AMO-Komplexes außerhalb des Kontexts von N. viennensis zu testen, wurde der BN-PAGE-Ansatz auf Membranproteinfraktionen von N. cavascurensis angewendet, einer entfernt verwandten thermophilen AOA-Art der Familie Nitrosocaldaceae (48), die kürzlich gewonnen wurde in Reinkultur (Melcher et al. in Vorbereitung). Obwohl ein etwas anderes Komplexmuster erhalten wurde (Abb. 1B), wurde in diesem thermophilen Organismus auch eine Korrelation der zusätzlichen Untereinheiten mit AmoA, AmoB und AmoC beobachtet (Kendall-Korrelation von Proteinen, wie für N. viennensis durchgeführt). Die drei Proteine ​​AmoX, NCAV_0488 (AmoY) und NCAV_0486 (AmoZ) wiesen alle Migrationsmuster innerhalb des Gels auf, die stark mit AmoABC korrelierten (Tabelle 1). Diese Analyse bestätigte, dass die vorgeschlagenen Untereinheiten in N. cavascurensis translatiert wurden und möglicherweise eine physikalische Verbindung innerhalb des AMO-Komplexes hatten.

Um die physikalische Nähe der vorgeschlagenen Untereinheiten zu bekannten Untereinheiten und anderen Proteinen innerhalb des BN-PAGE-Gels abzuschätzen, wurde eine In-Gel-Vernetzung [43] unter Verwendung des Vernetzers Disuccinimidylsulfoxid (DSSO) an einem zusätzlichen BN-PAGE-Schnitt durchgeführt -aus Band 7 (Abb. S1B). Massenspektrometrie und Vernetzungsanalyse zeigten mehrere Vernetzungen zwischen AmoA, AmoB, AmoC und AmoX sowie mit den beiden neu vorgeschlagenen Untereinheiten AmoY und AmoZ (Abb. 4C). Viele Vernetzungen waren auch mit NVIE_016740 verbunden, einem mutmaßlichen S-Layer-Protein, das wahrscheinlich ein häufig vorkommendes Oberflächenschichtprotein darstellt, wie es von anderen Archaeen bekannt ist (SlaA) [52, 53]. Da dieses Protein vermutlich dabei hilft, das Pseudoperiplasma in AOA zu etablieren, ist es nicht überraschend, dass es stark mit Membranproteinen vernetzt ist.

A, B Cartoon-Darstellungen der AlphaFold-Strukturmodelle der Hexamere N. viennensis (A) und N. cavascurensis (B), die ihre mutmaßliche Membranorientierung basierend auf einer Sequenzhydropathieanalyse angeben. Untereinheiten sind wie folgt gefärbt: AmoA, hellgrau; AmoB, schwarz; AmoC, Lachs; AmoX, Lavendel; AmoY, Cyan; AmoZ, blau. Rückstände in den CuB- und CuC-Kupferstandorten werden durch rote Stäbchen dargestellt. Disulfidbindungen sind gelb markiert. C Darstellung der identifizierten Vernetzungen zwischen bestehenden und vorgeschlagenen AMO-Untereinheiten einer AMO-Bande, geschnitten aus einem BN-PAGE-Gel von N. viennensis. Grün: vermutete Untereinheiten basierend auf vergleichender Genomik. Blau: neu vorgeschlagene Untereinheiten basierend auf BN-PAGE-Korrelation und syntenischer Analyse. D Vernetzungen innerhalb des Schwellenwerts für den lösungsmittelzugänglichen Oberflächenabstand (SASD) für DSSO, grün dargestellt, abgebildet auf dem N. viennensis AlphaFold-Modell. Die einzelne beobachtete Vernetzung zwischen den AmoZ- und AmoB-Untereinheiten ist in Magenta dargestellt, da sie die SASD-Abstandskriterien (50,0 Å) verletzt, aber im Bereich des euklidischen Abstands (31,8 Å) liegt. E Verteilung der SASD- und euklidischen Cα-Cα-Abstände eindeutiger DSSO-Vernetzungen, die mit Annika und MeroX identifiziert wurden. 27 von 67 einzigartigen Vernetzungen erfüllten die Abstandskriterien (SASD < 35,0 Å). F Prozentsatz der vernetzten Untereinheitenkombinationen.

AmoX wies auch individuelle Vernetzungen zu mehreren anderen Proteinen auf (Supplementary Dataset 1). Da nur einzelne Verbindungen gefunden wurden und diese Proteine ​​in keiner anderen syntenischen oder korrelativen Analyse auftauchten, wurde nicht angenommen, dass sie eine strukturelle Rolle im AMO-Komplex darstellen. Diese Vernetzungen sind vielmehr auf die hohe Häufigkeit dieser Proteine ​​in der Zellmembran zurückzuführen.

Verfügbare transkriptomische Studien von AOA wurden untersucht, um herauszufinden, ob die Expressionsmuster der neu vorhergesagten Untereinheiten ihre Beteiligung an der AMO bestätigen würden. Eine aktuelle Studie zur Kupferlimitierung bei N. viennensis [54] bestätigte, dass die Gene amoA, amoB und amoC zu den höchsten Transkriptionsniveaus in der Zelle gehören, wie auch in früheren Studien gezeigt wurde [55,56,57]. Eine Clusteranalyse desselben Datensatzes ergab, dass amoA, amoB, amoC, amoX, amoY und amoZ alle co-reguliert zu sein scheinen und in die Cluster mit den am stärksten exprimierten Genen fielen. (Abb. S2; Ergänzungsdatensatz 2). Während für die meisten Amo-Gene mutmaßliche Transkriptionspromotorsequenzen identifiziert werden können, wurde kein offensichtliches konserviertes Promotormotiv für alle sechs Gene identifiziert.

Eine Neuauswertung dieser transkriptomischen Daten (siehe Methoden) ergab auch, dass amoC6 das primär transkribierte amoC-Homolog ist (Abb. 5), was die Identifizierung eines einzigartigen AmoC6-Peptids aus einer mit Chymotrypsin verdauten Tricine-SDS-PAGE-Bande bestätigt (Ergänzende Diskussion). ; Ergänzungsdatensatz 1). Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass AmoC6 zumindest unter den angewandten Wachstumsbedingungen das primäre strukturelle AmoC-Homolog im AMO-Komplex von N. viennensis ist.

Genomische Darstellung von N. viennensis, die die Lage der Amo-Gene und die durchschnittlichen log2-Werte des transformierten Transkripts pro Million (TPM) unter kupferreichen Bedingungen in Reyes et al. zeigt. (2020) [54]. Orangefarbene Balken auf dem Genom zeigen die Positionen der Gene der AMO-Untereinheit an, die stark exprimiert werden. Blaue Balken im Genom weisen auf Amo-Gene hin, die eine geringe Transkriptionsaktivität aufweisen. Die Kästchen zeigen Amo-Gene (fett gedruckt) und unmittelbare Nachbarn, farbig basierend auf der durchschnittlichen Genexpression aus kupferreichen Kulturen. Rot weist auf einen starken Ausdruck hin, während Blau einen geringen oder fehlenden Ausdruck darstellt. Alle stark exprimierten Amo-Gene wurden in Clustern hoch exprimierter Gene sowohl unter begrenzten als auch unter Bedingungen mit hoher Expression gefunden (siehe Abb. S2).

Die Transkriptomik des Meeresstamms Nitrosopumilus maritimus zeigte auch eine hohe Expression von amoA, amoB, amoC, amoX und amoY (Nmar_1506). Das Gen amoZ (Nmar_1507) zeigte, obwohl syntenisch mit amoY, geringere Expressionsniveaus [55].

Die drei neu vorgeschlagenen AMO-Untereinheiten wurden auch in proteomischen Datensätzen untersucht, die mit Methoden erstellt wurden, die eine verbesserte Gewinnung von Membranproteinen ermöglichen. Alle sechs bekannten und vorgeschlagenen Untereinheiten wurden in Membranfraktionen von N. viennensis aus einer früheren Studie (15) sowie im Proteom von N. maritimus (55) gefunden. In anderen proteomischen Studien zu AOA [58, 59] waren die drei neuen Untereinheiten nicht immer vorhanden, wahrscheinlich aufgrund ihrer geringen Größe und begrenzten Anzahl von Trypsin-Spaltungsstellen.

Wie bereits beobachtet [60], weisen Vergleiche der Aminosäuresequenzen der drei Untereinheiten AmoA, AmoB und AmoC aus Archaeen mit denen von Bakterien darauf hin, dass die primären Unterschiede zwischen den archaealen AMO-Untereinheiten und den bakteriellen AMO-Untereinheiten fehlende Transmembranhelices sind mindestens einer in AmoB und zwei in AmoC und ein fehlender C-terminaler löslicher Teil in bakteriellem AmoB/PmoB (Abb. S3–S5). Diese Beobachtungen gelten auch für die neue Gruppe archaeischer AMO, die kürzlich im Stamm der Thermoplasmata entdeckt wurde [61]. Eine HMMER-Suche unter Verwendung der erweiterten Regionen der bakteriellen Homologen im Vergleich zu den Genomen der gesammelten AOA ergab keine signifikanten Ähnlichkeiten. Daher wurde eine allgemeine Struktursuche mit Phobius [62] mit dem Genom von N. viennensis durchgeführt, um nach Genen zu suchen, die ein Protein mit den folgenden Kriterien kodieren könnten: (i) 1–3 Transmembranhelices, (ii) Konservierung über alle AOA [46] und (iii) in den 100 am häufigsten transkribierten Genen vorhanden [54] (ähnliche Mengen wie die primären AMO-Untereinheiten). Daraus ergaben sich sechs mögliche Kandidaten (Tabelle 2). Die einzigen Kandidaten, die die strukturellen Anforderungen unter Beibehaltung syntenischer und ähnlicher Migrationsmuster in BN-PAGE erfüllten, waren amoX, amoY und amoZ.

Die Hinzufügung der drei vorgeschlagenen Untereinheiten in Archaeen erhöht die Anzahl der Transmembranhelices von 10–11 auf etwa 14 pro Protomer und ist damit vergleichbar mit der Anzahl, die in bakteriellen Kristallstrukturen von pMMO gefunden wird, wo jedes Protomer des Trimers (d. h. eine Einheit von PmoABC ), enthält 14–15 Transmembranhelices [23, 63].

Um Einblicke in den strukturellen Kontext des archaischen AMO-Komplexes im Lichte dreier zusätzlich vorgeschlagener Untereinheiten zu gewinnen, wurde ein Strukturmodell für die Organisation des N. viennensis-AMO-Komplexes unter Verwendung der multimerfähigen Version von AlphaFold 2.1 erstellt [64,65 ,66]. Die resultierenden Modelle waren alle ähnlich und stellten zuverlässige Vorhersagen dar (Topmodell, pLDDT = 71,4 und ptm-Score = 0,668). Alle vorhergesagten Transmembranhelices von AmoX, AmoY und AmoZ spielen zusammen mit den Transmembranhelices von AmoA, AmoB und AmoC eine Rolle bei der Verankerung des Komplexes in der Membran (Abb. 4A). Darüber hinaus wurde vorhergesagt, dass die N-terminale Domäne von AmoZ zwei Alpha-Helices enthält, die mit der N-terminalen Domäne von AmoB interagieren, wodurch möglicherweise die Rolle der fehlenden C-terminalen löslichen Domäne in PmoB ersetzt und das letzte Stück bereitgestellt wird fehlender Komplex in Archaeen (zusätzliche Informationen in der ergänzenden Diskussion). Es wurde auch vorhergesagt, dass sich innerhalb der löslichen Domäne von AmoZ eine Disulfidbindung bildet. Die Gesamtstruktur ist vergleichbar mit einem Protomer des pMMO-Komplexes (Abb. S6).

Um den Grad der Erhaltung der vorhergesagten hexameren Organisation des AMO-Komplexes zu vergleichen, wurde auch ein Strukturmodell des AMO-Komplexes von N. cavascurensis erstellt (Abb. 4B). Die resultierenden Modelle waren in ihrer Gesamtanordnung untereinander und dem N. viennensis-Modell ähnlich und wiesen insgesamt hohe Vertrauenswerte auf (Top-Modell, pLDDT = 77,7 und ptm-Wert = 0,591). Zu den Unterschieden zwischen den Modellen N. viennensis und N. cavascurensis gehört die Lokalisierung der Transmembranhelix (TM) von AmoZ. Bei N. viennensis wird vorhergesagt, dass die TM-Helix hauptsächlich mit der TM-Helix von AmoY interagiert, während sie bei N. cavascurensis voraussichtlich mit den TMs von AmoB und AmoA interagiert (Abb. 4A, B, S7A, C). Dies würde die relative Positionierung der N-terminalen Domäne von AmoZ in Bezug auf die lösliche AmoB-Domäne beeinflussen und eine „offenere“ Konformation ermöglichen. Die erweiterte Schleife, die das N-terminale Helicepaar in AmoZ mit der TM-Domäne verbindet, ermöglicht jedoch theoretisch eine gewisse Flexibilität (zusätzliche Informationen in der ergänzenden Diskussion, Abb. S8).

Daten aus Vernetzungsexperimenten in N. viennensis wurden dem vorhergesagten Modell zugeordnet und unterstützten die vorhergesagten Wechselwirkungen (Abb. 4D) mit einigen Ausnahmen stark. Von den 67 eindeutig beobachteten Vernetzungen erfüllten 27 (40 %) einen Schwellenwert für den maximalen lösungsmittelzugänglichen Oberflächenabstand (SASD) von ≤ 35 Å (Abb. 4E) und betrafen alle Kombinationen von Untereinheiten mit Ausnahme von AmoZ (Abb. 4F). AmoZ nahm nur an Vernetzungswechselwirkungen >35 Å teil, was eine schwächere Assoziation mit dem Komplex unterstützt, wie in den BN-PAGE-Migrationsmustern beobachtet.

Der archaeale AMO-Komplex ist ein Schlüsselenzym des AOA-Energiestoffwechsels, das in allen untersuchten Ammoniak oxidierenden Organismen stark exprimiert wird und aufgrund seiner überwältigenden Präsenz in vielen Ökosystemen große Auswirkungen auf die Umwelt hat [8,9,10,11,12,13, 14, 67]. Die vorliegende Arbeit profitiert von den jüngsten Verbesserungen bei der Kultivierung von AOA in kontinuierlichen Kulturen (Melcher et al. in Vorbereitung) und präsentiert neue biochemische und vergleichende genomische Beweise für die Zusammensetzung des AMO-Komplexes in Nitrososphaera viennensis und anderen AOA, die im Gegensatz zu den vorgeschlagenen stehen Zusammensetzung dieses Komplexes innerhalb von AOB.

Die vorliegende Analyse hat bestätigt, dass AmoX, NVIE_004540 und NVIE_004550 wahrscheinlich alle im archaischen AMO-Komplex vorhanden sind, und schlägt die Benennung von NVIE_004540 und NVIE_004550 als AmoY bzw. AmoZ vor. Dieses Ergebnis basiert auf einer Vielzahl unabhängiger Analysen, darunter proteomische, genomische, transkriptomische, strukturelle und Modellierungsansätze. Das Vorhandensein von sechs statt drei Untereinheiten ist einzigartig für die archaische Domäne und könnte eine komplexere Regulierungsstrategie für den AMO-Komplex in Archaeen darstellen. Unterschiede im Ammoniakoxidationsweg zwischen der archaealen und der bakteriellen Domäne sind bereits gut bekannt (d. h. ungelöster zweiter Schritt bei Archaeen [19, 21]; eisenbasierte c-Cytochrome [68, 69] und Ubichinon bei Bakterien [70, 71] vs . Kupferbasierte Plastocyanine [15, 16] und Menachinon in Archaeen [72]). Die in dieser Arbeit beobachteten unterschiedlichen Merkmale innerhalb des AMO-Komplexes unterstreichen diese Unterschiede weiter und tragen zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, dass AOA und AOB unter unterschiedlichen Umwelt- und/oder Funktionseinschränkungen an der Nitrifikation beteiligt sind.

In blauen nativen PAGE-Proteingelen wanderte der AMO-Komplex sowohl in N. viennensis als auch in Nitrosocaldus cavascurensis deutlich über die vorhergesagte Höhe eines trimeren Protomerkomplexes, selbst wenn die zusätzlichen Untereinheiten berücksichtigt wurden (vorhergesagtes Molekulargewicht eines homotrimeren Komplexes mit sechs Untereinheiten pro Protomer: 296,9 kDa N. viennensis; 305,1 kDa N. cavascurensis). Die archaealen AMO-Banden werden auch bei einem höheren Molekulargewicht im Gel beobachtet, verglichen mit dem homologen bakteriellen PMO-Komplex einer Methylomirabilis-Spezies, der ebenfalls mit n-Dodecyl-β-D-maltosid (DDM) extrahiert wurde [73]. Dies könnte durch Unterschiede in der Membranzusammensetzung der Stämme oder mögliche Unterschiede in der Oligomerisierung des Protomers erklärt werden. AOA enthalten einzigartige ethergebundene Lipide (d. h. Crenarchaeole) [37, 74, 75, 76, 77, 78] und basieren auf einer proteinhaltigen S-Schicht anstelle einer äußeren Membran, um einen pseudoperiplasmatischen Raum zu schaffen [52, 53]. . Die Beobachtung von drei unterschiedlichen AMO-Peaks lässt sich höchstwahrscheinlich durch die gemeinsame Migration mit anderen Proteinen oder Komplexen erklären, mit denen es möglicherweise physikalisch interagiert, insbesondere mit dem S-Layer-Protein.

Frühere Arbeiten an Bakterien, die auf CuMMOs angewiesen sind, haben andere mutmaßliche Proteine ​​identifiziert, die an dem Komplex beteiligt sind. Monocistronische Transkripte, die amoABC aus dem AOB Nitrosococcus ozeani ATCC 19707 enthielten, enthielten zwei zusätzliche Gene, die als amoR und amoD bezeichnet wurden [79]. Es wurde festgestellt, dass das amoR-Gen nur in Nitrosococcus vorkommt und daher nicht als konservierter Teil des bakteriellen AMO angesehen wird. Eine aktuelle Studie deutete darauf hin, dass AmoD/PmoD (und wahrscheinlich das homologe AmoE) eine entscheidende Rolle bei der Kupferhomöostase spielen, es wird jedoch nicht vermutet, dass sie ein struktureller Bestandteil eines CuMMO-Komplexes sind [80]. Vielmehr haben Kristall- und Kryo-EM-Strukturen von bakteriellem PMO durchweg eine trimere Protomerstruktur bestätigt, wobei jedes Protomer aus einer Untereinheit von PmoA, PmoB und PmoC besteht [22,23,24,25,26,27,28].

Obwohl es Debatten darüber gibt, welche Untereinheit das primäre aktive Zentrum in CuMMO-Komplexen beherbergt, gibt es klare Hinweise darauf, dass das/die Metallzentrum(e) in PmoC eine entscheidende Rolle im Komplex der Methanotrophen spielt/spielen [27, 28, 31, 32]. Während dem archaealen AmoC ein wesentlicher Abschnitt fehlt, der in allen Bakterien vorkommt und zwei Transmembranhelices entspricht (Abb. S5), sind dies die in früheren Kristallstrukturen beobachteten Metallstellen sowie die neu vorgeschlagene Metallstelle, die über Kryo-EM identifiziert wurde (28). bei allen Archaeen- und Bakterienarten konserviert (Abb. S5). Die Bedeutung dieser Untereinheit wird auch durch ortsspezifische Mutagenesestudien an den genetisch beherrschbaren Actinobakterien gestützt, die die homologe Kohlenwasserstoffmonooxygenase enthalten [32].

Das Bodenmodell-AOA, N. viennensis, kodiert wie die meisten anderen bodenbewohnenden AOA aus der Familie der Nitrososphaeraceae mehrere Homologe des amoC-Gens, während nur einzelne Kopien von amoA und amoB erhalten bleiben [15] (Ergänzungsdatensatz 2). Zusätzliche Kopien von amoC, die räumlich vom AMO-Operon getrennt sind, werden von einigen terrestrischen AOB kodiert und waren basierend auf Transkriptionsstudien an der Stressreaktion beteiligt [81, 82]. Innerhalb von Nitrososphaeraceae existieren keine konservierten AMO-Operons (Abb. 3). Duplikationen des amoC-Gens (räumlich entfernt von den anderen AMO-Genen) kommen auch in einigen Arten der marinen AOA-assoziierten Familie (Nitrosopumilaceae) und in zwei MAGs von AOA-Thermophilen (Nitrosocaldaceae) vor, die alle in Sedimenten entdeckt wurden (51, 83, 84). . Eine amoC-Duplikation findet sich auch in einem AOA-Schwammsymbionten und Kopien von archaischem amoC finden sich sogar in Meeresviren [85]. Diese Ergebnisse zusammen könnten auf die metabolische Bedeutung der AmoC-Untereinheit für ökophysiologische Anpassungen bei der Ammoniakoxidation hinweisen. Während diese Arbeit ein bestimmtes AmoC (AmoC6; NVIE_028540) als primäres Homolog innerhalb des Komplexes von N. viennensis identifizierte, ist es möglich, dass (einige) der anderen AmoC-Untereinheiten, die durch Genduplikationen auf Gattungsebene entstanden sind (Abb. S9) kann unter bestimmten Umweltbedingungen eingebaut werden und dem Enzym unterschiedliche Aktivitätsprofile verleihen.

Über die vergleichende Genomik hinaus stammen die einzigen bestätigten Strukturinformationen für Archaeen aus der Kristallstruktur eines heterolog exprimierten AmoB, das aus Candidatus Nitrosocaldus yellowstonensis stammt [86]. Diese Struktur bestätigte das Fehlen der C-terminalen Cupredoxindomäne und offenbarte eine erweiterte Aminosäureregion, die in Bakterien nicht vorkommt und aus zwei Helices und zwei Schleifen besteht. Es wurde vorgeschlagen, dass diese zusätzliche Region zur Stabilisierung der bestehenden Cupredoxin-Domäne beitragen könnte, da unterstützende Wechselwirkungen aufgrund des Fehlens der C-terminalen Domäne fehlen. Diese Aminosäureverlängerung kommt jedoch nur innerhalb der vorgeschlagenen Gattung Nitrosocaldus vor (Abb. S4). Es ist wahrscheinlicher, dass die lösliche Domäne von AmoZ, die in allen AOA konserviert ist, diese stabilisierende Rolle übernimmt.

Mangels zusätzlicher Struktur-Funktions-Analysen ist unklar, ob die zusätzlichen Untereinheiten im Archaeenkomplex lediglich den großen evolutionären Abstand zu allen anderen bekannten Proteinkomplexen der CuMMO-Familie widerspiegeln [34] oder ob dieser Unterschied in der Struktur auch relevant ist funktionale Implikationen. Beispielsweise sind die bakteriellen AMO-Komplexe promiskuitive Enzyme, die Methan und andere Verbindungen oxidieren können [87,88,89,90]. Solche Untersuchungen zu alternativen Substraten wurden mit dem Archaeenkomplex noch nicht durchgeführt, wären aber wichtig für die Bewertung der funktionellen Rolle von Archaeen (und möglicherweise der neuen Untereinheiten) in der Umwelt. Darüber hinaus wurden Unterschiede im AMO-Komplex zwischen AOA-Arten identifiziert, die möglicherweise die Funktion des AMO-Komplexes beeinflussen. Dazu gehört die zusätzliche AmoB-Schleife in Nitrosocaldus, wird aber auch durch die neu vorgeschlagene Untereinheit AmoZ deutlich demonstriert. Es wird vorhergesagt, dass die Gattung Nitrososphaera und die Familie Nitrosocaldaceae (beide in dieser Studie untersucht) eine Disulfidbindung bilden, die die beiden Alpha-Helices, aus denen die lösliche Domäne von AmoZ besteht (Abb. S7B, D, S10C), über zwei Cysteine ​​verbindet, die in nicht konserviert sind andere AOA. Darüber hinaus wird vorausgesagt, dass die Gattung Nitrosocosmicus eine zusätzliche Zinkbanddomäne enthält, die durch vier Cysteinreste am C-terminalen Ende dargestellt wird und sich vermutlich im Zytoplasma befindet (Abb. S10C). Die Beobachtungen einer Disulfidbindung und einer Zinkbanddomäne innerhalb bestimmter AOA-Linien könnten mit der Empfindlichkeit gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies bzw. einzigartigen Regulierungsstrategien zusammenhängen und könnten einzigartige Evolutionsmuster widerspiegeln, die bisher unbekannte Aspekte des Stoffwechsels dieser spezifischen Gruppen ergänzen.

Unabhängig von artspezifischen Unterschieden bei Archaeen spiegelt die gesamte vorhergesagte Archaeenstruktur mit den neuen Untereinheiten die bekannte bakterielle Protomerzusammensetzung wider (Abb. S6). Ein endgültiger Beweis für die Oligomerisierung und Organisation dieser Untereinheiten wird nicht möglich sein, bis eine endgültige Struktur (dh Kristall oder Kryo-EM) von archaischem AMO realisiert ist. Mutmaßliche Protomer-Interaktionsstellen in der Kryo-EM-Struktur von Methylococcus capsulatus str Bath (PDB-Struktur 7S4H) [28] scheinen sich in dem Abschnitt von PmoB zu befinden, der in Archaeen fehlt (Abb. S4). Die Platzierung von AmoY und AmoZ in den äußeren Regionen des Protomers könnte diese Wechselwirkungen jedoch stattdessen erleichtern (Abb. S7). Dies könnte auch die hohe Anzahl an SASD-verletzenden Wechselwirkungen zwischen AmoY und AmoZ erklären, da die Analyse nur ein einziges Protomer berücksichtigt (Abb. 4F). Es ist möglich, dass diese Wechselwirkungen stattdessen zwischen Untereinheiten von AmoY und AmoZ in verschiedenen Protomeren stattfinden. Daher schließen die vorhergesagten Protomermodelle von N. viennensis und N. cavascurensis die Möglichkeit eines trimeren archaealen AMO-Komplexes nicht aus. Bezüglich der Orientierung ist der vorliegende Modellierungsansatz nicht in der Lage, genau vorherzusagen, wie das archaeale AMO in der Membran sitzt. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass sich das aktive Zentrum sowie die löslichen AmoB- und AmoZ-Domänen im pseudoperiplasmatischen Raum befinden. Dies wird durch frühere Modellierungsbemühungen des Nährstofftransports in der S-Schicht von AOA (91) sowie durch aktivitätsbasierte Immungoldmarkierung von CuMMO-Komplexen in AOB und Methanotrophen (92) gestützt.

Zusammenfassend liefert diese Studie anhand genomischer, proteomischer und transkriptomischer Daten Beweise für das Vorhandensein von AmoX und den Einschluss von AmoY und AmoZ als Untereinheiten im archaealen AMO-Komplex. Ein einzelnes Protomer des archaischen AMO würde daher aus sechs Untereinheiten bestehen statt aus drei wie in anderen Komplexen der CuMMO-Familie. Die Hinzufügung der neuen Untereinheiten würde die Anzahl der Transmembranhelices mit denen von CuMMO-Komplexen in Bakterien vergleichbar machen. Da bereits gezeigt wurde, dass die Verankerung von pMMO in der Membran entscheidend für seine Aktivität ist [26, 28], scheint es plausibel, dass die neu identifizierten Untereinheiten eine wichtige Rolle für die strukturelle und funktionelle Integrität des archaealen AMO-Komplexes spielen. Das Vorhandensein einer löslichen Domäne in AmoZ, die die stabilisierende Funktion der fehlenden löslichen Domäne in AmoB ersetzen könnte, erfüllt auch einen möglicherweise entscheidenden fehlenden Teil des AMO-Komplexes. Da AmoXYZ offenbar wichtige strukturelle Rollen spielt, wird es unbedingt erforderlich sein, alle Untereinheiten in zukünftige Expressions- und Strukturstudien dieses umweltrelevanten Proteinkomplexes in Archaeen einzubeziehen. Angesichts der weiten Verbreitung von AOA in praktisch allen Ökosystemen [8,9,10,11,12,13,14, 34] und ihrer ökologischen Relevanz werden die Entwicklung genetischer Werkzeuge für AOA und die Verbesserung ihrer Biomasseproduktion erforderlich sein, um Struktur-Funktion zu ermöglichen Analyse und um den gesamten Weg der Ammoniakoxidation in diesen Archaeen aufzuklären.

Alle proteomischen Daten wurden über das Partner-Repository PRIDE [44] mit den Kennungen PXD035349, PXD034632 und PXD034475 für BN-Page von N. viennensis, BN-PAGE von N. cavascurensis bzw. vernetzte Proben beim ProteomeXchange-Konsortium hinterlegt. Relevante Skripte und Code für die Datenanalyse finden Sie im GitHub-Repository https://github.com/hodgskiss/Archaeal_AMO.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41396-023-01403-2

Wong-Chong GM, Loehr RC. Die Kinetik der mikrobiellen Nitrifikation. Wasserres. 1975;9:1099–106.

Artikel CAS Google Scholar

Hyman MR, Wood PM. Suizidale Inaktivierung und Markierung der Ammoniakmonooxygenase durch Acetylen. Biochem J. 1985;227:719–25.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hollocher TC, Tate ME, Nicholas DJ. Oxidation von Ammoniak durch Nitrosomonas europaea. Eindeutiger 18O-Tracer-Beweis dafür, dass an der Hydroxylaminbildung eine Monooxygenase beteiligt ist. J Biol. Chem. 1981;256:10834–6.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Winogradsky S. Forschung zu Nitrifikationsorganismen. Ann Inst Pateur. 1890;4:213–31.

Google Scholar

Könneke M, Bernhard AE, De La Torre JR, Walker CB, Waterbury JB, Stahl DA. Isolierung eines autotrophen, Ammoniak oxidierenden Meeresarchaeons. Natur. 2005;437:543–6.

Artikel PubMed Google Scholar

Treusch AH, Leininger S, Kietzin A, Schuster SC, Klenk HP, Schleper C. Neuartige Gene für Nitritreduktase und Amo-verwandte Proteine ​​weisen auf eine Rolle unkultivierter mesophiler Crenarchaeota im Stickstoffkreislauf hin. Umwelt Mikrobiol. 2005;7:1985–95.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, Halpern AL, Rusch D, Eisen JA, et al. Umweltgenom-Shotgun-Sequenzierung der Sargassosee. Wissenschaft. 2004;304:66–74.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Leininger S, Urich T, Schloter M, Schwark L, Qi J, Nicol GW, et al. Unter den Ammoniak oxidierenden Prokaryoten im Boden überwiegen Archaeen. Natur. 2006;442:806–9.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nicol GW, Leininger S, Schleper C, Prosser JI. Der Einfluss des pH-Werts des Bodens auf die Diversität, Häufigkeit und Transkriptionsaktivität von Ammoniak oxidierenden Archaeen und Bakterien. Umwelt Mikrobiol. 2008;10:2966–78.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Adair KL, Schwartz E. Hinweise darauf, dass ammoniakoxidierende Archaeen in semiariden Böden im Norden von Arizona, USA, häufiger vorkommen als ammoniakoxidierende Bakterien. Mikro-Ecol. 2008;56:420–6.

Artikel CAS Google Scholar

Karner MB, Delong EF, Karl DM. Archaeen-Dominanz in der mesopelagischen Zone des Pazifischen Ozeans. Natur. 2001;409:507–10.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shi Y, Tyson GW, Eppley JM, Delong EF. Integrierte metatranskriptomische und metagenomische Analysen geschichteter mikrobieller Ansammlungen im offenen Ozean. ISME J. 2011;5:999–1013.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Baker BJ, Lesniewski RA, Dick GJ. Genomgestützte Transkriptomik deckt Archaeenpopulationen auf, die die Nitrifikation in einer hydrothermalen Tiefseefahne vorantreiben. ISME J. 2012;6:2269–79.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hollibaugh JT, Gifford S, Sharma S, Bano N, Moran MA. Metatranskriptomische Analyse von Ammoniak oxidierenden Organismen in einer Bakterioplankton-Ansammlung im Flussmündungsgebiet. ISME J. 2011;5:866–78.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kerou M, Offre P, Valledor L, Abby SS, Melcher M, Nagler M, et al. Proteomik und vergleichende Genomik von Nitrososphaera viennensis enthüllen das Kerngenom und Anpassungen archaeischer Ammoniakoxidationsmittel. Proc Natl Acad Sci USA. 2016;113:E7937–46.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Walker CB, De La Torre JR, Klotz MG, Urakawa H, Pinel N, Arp DJ, et al. Das Genom von Nitrosopumilus maritimus enthüllt einzigartige Mechanismen für Nitrifikation und Autotrophie in weltweit verbreiteten marinen Crenarchaeen. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107:8818–23.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Berg IA, Kockelkorn D, Buckel W, Fuchs G. Ein 3-Hydroxypropionat-4-Hydroxybutyrat-autotropher Kohlendioxid-Assimilationsweg in Archaeen. Wissenschaft. 2007;218:1782–6.

Artikel Google Scholar

Könneke M, Schubert DM, Brown PC, Hügler M, Standfest S, Schwander T, et al. Ammoniak oxidierende Archaeen nutzen den energieeffizientesten aeroben Weg zur CO2-Fixierung. Proc Natl Acad Sci USA. 2014;111:8239–44.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Lancaster KM, Caranto JD, Majer SH, Smith MA. Alternative Bioenergie: Aktualisierungen und Herausforderungen in der Nitrifikationsmetalloenzymologie. Joule. 2018;2:1–21.

Artikel Google Scholar

Simon J, Klotz MG. Vielfalt und Entwicklung bioenergetischer Systeme, die an der Umwandlung mikrobieller Stickstoffverbindungen beteiligt sind. Biochim Biophys Acta - Bioenerg. 2013;1827:114–35.

Artikel CAS Google Scholar

Kozlowski JA, Stieglmeier M, Schleper C, Klotz MG, Stein LY. Wege und wichtige Zwischenprodukte, die für die obligate aerobe Ammoniak-abhängige Chemolithotrophie bei Bakterien und Thaumarchaeota erforderlich sind. ISME J. 2016;10:1836–45.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lieberman RL, Rosenzweig AC. Kristallstruktur eines membrangebundenen Metalloenzyms, das die biologische Oxidation von Methan katalysiert. Natur. 2005;434:177–82.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hakemian AS, Kondapalli KC, Telser J, Hoffman BM, Stemmler TL, Rosenzweig AC. Die Metallzentren der partikulären Methanmonooxygenase aus Methylosinus trichosporium OB3b. Biochemie. 2008;47:6793–801.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Smith SM, Rawat S, Telser J, Hoffman BM, Stemmler TL, Rosenzweig AC. Kristallstruktur und Charakterisierung der partikulären Methanmonooxygenase aus dem Methylocystis-Artenstamm M. Biochemie. 2011;50:10231–40.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sirajuddin S, Barupala D, Helling S, Marcus K, Stemmler TL, Rosenzweig AC. Auswirkungen von Zink auf die Aktivität und Struktur der partikulären Methanmonooxygenase. J Biol. Chem. 2014;289:21782–94.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Ro SY, Ross MO, Deng YW, Batelu S, Lawton TJ, Hurley JD, et al. Von Mizellen zu Bizellen: Wirkung der Membran auf die Aktivität der partikulären Methanmonooxygenase. J Biol. Chem. 2018;293:10457–65.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Chang WH, Lin HH, Tsai IK, Huang SH, Chung SC, Tu IP, et al. Kupferzentren in der Kryo-EM-Struktur der partikulären Methanmonooxygenase enthüllen die katalytische Maschinerie der Methanoxidation. J Am Chem Soc. 2021;143:9922–32.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Koo CW, Tucci FJ, He Y, Rosenzweig AC. Wiederherstellung der Struktur und Aktivität der partikulären Methanmonooxygenase in einer Lipiddoppelschicht. Wissenschaft. 2022;375:1287–91.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Balasubramanian R, Smith SM, Rawat S, Yatsunyk LA, Stemmler TL, Rosenzweig AC. Oxidation von Methan durch ein biologisches Dikupferzentrum. Natur. 2010;465:115–9.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Op den Camp HJM, Islam T, Stott MB, Harhangi HR, Hynes A, Schouten S, et al. Umwelt-, genomische und taxonomische Perspektiven auf methanotrophe Verrucomicrobia. Environ Microbiol Rep. 2009;1:293–306.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ross MO, MacMillan F, Wang J, Nisthal A, Lawton TJ, Olafson BD, et al. Partikuläre Methanmonooxygenase enthält nur einkernige Kupferzentren. Wissenschaft. 2019;364:566–70.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liew EF, Tong D, Coleman NV, Holmes AJ. Die Mutagenese der Kohlenwasserstoffmonooxygenase weist darauf hin, dass ein Metallzentrum in Untereinheit C und nicht in Untereinheit B für die Aktivität der kupferhaltigen Membranmonooxygenase essentiell ist. Mikrobiologie. 2014;160:1267–77.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Musiani F, Broll V, Evangelisti E, Ciurli S. Die Modellstruktur der kupferabhängigen Ammoniakmonooxygenase. JBIC J Biol Inorg Chem. 2020;25:995–1007.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Alves RJE, Minh BQ, Urich T, Von Haeseler A, Schleper C. Vereinheitlichung der globalen Phylogenie und Umweltverteilung ammoniakoxidierender Archaeen basierend auf amoA-Genen. Nat Commun. 2018;9:1517.

Khadka R, Clothier L, Wang L, Lim CK, Klotz MG, Dunfield PF. Evolutionsgeschichte der Kupfermembran-Monooxygenasen. Vordere Mikrobiol. 2018;9:2493.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bartossek R, Spang A, Weidler G, Lanzen A, Schleper C. Metagenomische Analyse von Ammoniak-oxidierenden Archaeen, die der Bodengruppe zugeordnet sind. Vordere Mikrobiol. 2012;3:208.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

De La Torre JR, Walker CB, Ingalls AE, Könneke M, Stahl DA. Kultivierung eines thermophilen Ammoniak oxidierenden Archäons, das Crenarchaeol synthetisiert. Umwelt Mikrobiol. 2008;10:810–8.

Artikel PubMed Google Scholar

Tourna M, Stieglmeier M, Spang A, Könneke M, Schintlmeister A, Urich T. Nitrososphaera viennensis, ein Ammoniak oxidierendes Archäon aus dem Boden. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108:8420–5.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wittig I, Braun HP, Schägger H. Blue native PAGE. Nat-Protokoll. 2006;1:418–28.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Reisinger V, Eichacker LA. Solubilisierung von Membranproteinkomplexen für blaue native PAGE. J Proteom. 2008;71:277–83.

Artikel CAS Google Scholar

De Almeida NM, Wessels HJCT, De Graaf RM, Ferousi C, Jetten MSM, Keltjens JT, et al. Membrangebundene Elektronentransportsysteme eines Anammox-Bakteriums: eine Komplexomanalyse. Biochim Biophys Acta - Bioenerg. 2016;1857:1694–704.

Artikel Google Scholar

Berger S, Cabrera-orefice A, Jetten MSM, Brandt U, Welte CU. Untersuchung zentraler Energiestoffwechsel-bezogener Proteinkomplexe von ANME-2d methanotrophen Archaeen durch Komplexomprofilierung. BBA - Bioenerg. 2021;1862:148308.

Artikel CAS Google Scholar

Hevler JF, Lukassen MV, Cabrera-Orefice A, Arnold S, Pronker MF, Franc V, et al. Selektive Vernetzung zusammenfallender Proteinanordnungen durch In-Gel-Vernetzungsmassenspektrometrie. EMBO J. 2021;40:e106174.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Perez-Riverol Y, Csordas A, Bai J, Bernal-Llinares M, Hewapathirana S, Kundu DJ, et al. Die PRIDE-Datenbank und zugehörige Tools und Ressourcen im Jahr 2019: Verbesserung der Unterstützung für Quantifizierungsdaten. Nukleinsäuren Res. 2019;47:D442–50.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Melcher M, Hodgskiss LH, Mardini MA, Schleper C, Rittmann SMKR. Analyse der Biomasseproduktivität und Physiologie von Nitrososphaera viennensis in kontinuierlicher Kultur. Grenzen in der Mikrobiologie. (in Vorbereitung) 14:206.

Abby SS, Kerou M, Schleper C. Ahnenrekonstruktionen entschlüsseln wichtige Anpassungen ammoniakoxidierender Archaeen bei Strahlung in gemäßigte Land- und Meeresumgebungen. MBio. 2020;11:e02371–20.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rinke C, Chuvochina M, Mussig AJ, Chaumeil PA, Davín AA, Waite DW, et al. Eine standardisierte Archaeen-Taxonomie für die Genome Taxonomy Database. Nat Microbiol. 2021;6:946–59.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Abby SS, Melcher M, Kerou M, Krupovic M, Stieglmeier M, Rossel C, et al. Candidatus Nitrosocaldus cavascurensis, ein Ammoniak oxidierendes, extrem thermophiles Archäon mit einem hochmobilen Genom. Vordere Mikrobiol. 2018;9:28.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Nicol GW, Schleper C. Ammoniakoxidierende Crenarchaeota: wichtige Akteure im Stickstoffkreislauf? Trends Mikrobiol. 2006;14:207–12.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sheridan PO, Raguideau S, Quince C, Holden J, Zhang L, Gaze WH, et al. Die Genduplikation treibt die Genomexpansion in einer wichtigen Abstammungslinie der Thaumarchaeota voran. Nat Commun. 2020;11:5494.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luo ZH, Narsing Rao MP, Chen H, Hua ZS, Li Q, Hedlund BP, et al. Genomische Erkenntnisse von „Candidatus Nitrosocaldaceae“ basierend auf neun neuen Metagenom-assemblierten Genomen, darunter „Candidatus Nitrosothermus“ gen nov. und zwei neue Arten von „Candidatus Nitrosocaldus“. Vordere Mikrobiol. 2021;11:608832.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Stieglmeier M, Klingl A, Alves RJE, Rittmann SKMR, Melcher M, Leisch N, et al. Nitrososphaera viennensis gen. Nov., sp. nov., ein aerobes und mesophiles, Ammoniak oxidierendes Archaeon aus dem Boden und ein Mitglied des archaischen Stammes Thaumarchaeota. Int J Syst Evol Microbiol. 2014;64:2738–52.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Albers SV, Meyer BH. Die archaische Zellhülle. Nat Rev Microbiol. 2011;9:414–26.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Reyes C, Hodgskiss LH, Kerou M, Pribasnig T, Abby SS, Bayer B, et al. Genomweite transkriptomische Analyse des Bodenammoniak oxidierenden Archaeons Nitrososphaera viennensis bei Exposition gegenüber Kupferlimitierung. ISME J. 2020;14:2659–74.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Qin W, Amin SA, Lundeen RA, Heal KR, Martens-Habbena W, Turkarslan S, et al. Die Stressreaktion eines marinen Ammoniak oxidierenden Archaeons informiert über den physiologischen Status von Umweltpopulationen. ISME J. 2017;12:508–19.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Carini P, Dupont CL, Santoro AE. Muster der thaumarchaealen Genexpression in Kulturen und verschiedenen Meeresumgebungen. Umwelt Mikrobiol. 2018;20:2112–24.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Stewart FJ, Ulloa O, Delong EF. Mikrobielle Metatranskriptomik in einer permanenten marinen Sauerstoffminimumzone. Umwelt Mikrobiol. 2012;14:23–40.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bayer B, Pelikan C, Bittner MJ, Reinthaler T, Könneke M, Herndl GJ, et al. Proteomische Reaktion von drei marinen Ammoniak oxidierenden Archaeen auf Wasserstoffperoxid und ihre metabolischen Wechselwirkungen mit einem heterotrophen Alphaproteobakterium. mSystems. 2019;4:e00181–19.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Santoro AE, Dupont CL, Richter RA, Craig MT, Carini P, McIlvin MR, et al. Genomische und proteomische Charakterisierung von „Candidatus Nitrosopelagicus brevis“: ein Ammoniak oxidierendes Archäon aus dem offenen Ozean. Proc Natl Acad Sci USA. 2015;112:1173–8.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tolar BB, Herrmann J, Bargar JR, van den Bedem H, Wakatsuki S, Francis CA. Integrierte Strukturbiologie und Molekularökologie von N-cyclischen Enzymen aus Ammoniak oxidierenden Archaeen. Environ Microbiol Rep. 2017;9:484–91.

Artikel PubMed Google Scholar

Diamond S, Lavy A, Crits-Christoph A, Matheus Carnevali PB, Sharrar A, Williams KH, et al. Böden und Sedimente beherbergen Thermoplasmata archaea, die für neuartige Kupfermembranmonooxygenasen (CuMMOs) kodieren. ISME J. 2022;16:1348–62.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Käll L, Krogh A, Sonnhammer ELL. Eine kombinierte Methode zur Vorhersage von Transmembrantopologie und Signalpeptiden. J Mol Biol. 2004;338:1027–36.

Artikel PubMed Google Scholar

Hakemian AS, Rosenzweig AC. Die Biochemie der Methanoxidation. Annu Rev Biochem. 2007;76:223–41.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jumper J, Evans R, Pritzel A, Green T, Figurnov M, Ronneberger O, et al. Hochpräzise Vorhersage der Proteinstruktur mit AlphaFold. Natur. 2021;596:583–9.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Varadi M, Anyango S, Deshpande M, Nair S, Natassia C, Yordanova G, et al. AlphaFold-Proteinstrukturdatenbank: Erweitert die strukturelle Abdeckung des Proteinsequenzraums massiv mit hochpräzisen Modellen. Nukleinsäuren Res. 2022;50:D439–D444.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Evans R, O'Neill M, Pritzel A, Antropova N, Senior A, Green T, et al. Vorhersage von Proteinkomplexen mit AlphaFold-Multimer. bioRxiv. 2022. https://doi.org/10.1101/2021.10.04.463034.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Klotz MG, Stein LY. Nitrifizierer-Genomik und Entwicklung des Stickstoffkreislaufs. FEMS Microbiol Lett. 2008;278:146–56.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yamanaka T, Shinra M. Cytochrom c-552 und Cytochrom c-554, abgeleitet von Nitrosomonas europaea. J Biochem. 1974;75:1265–73.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Arciero DM, Hooper AB, Balny C. Spektroskopische und schnelle kinetische Studien zur Reduktion von Cytochrom c554 durch Hydroxylaminoxidoreduktase aus Nitrosomonas europaea. Biochemie. 1991;30:11466–72.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hooper AB, Erickson RH, Terry KR. Elektronentransportsysteme von Nitrosomonas: Isolierung einer Membranhüllenfraktion. J Bakteriol. 1972;110:430–8.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Whittaker M, Bergmann D, Arciero D, Hooper AB. Elektronentransfer während der Oxidation von Ammoniak durch das chemolithotrophe Bakterium Nitrosomonas europaea. Biochim Biophys Acta - Bioenerg. 2000;1459:346–55.

Artikel CAS Google Scholar

Elling FJ, Becker KW, Könneke M, Schröder JM, Kellermann MY, Thomm M, et al. Respiratorische Chinone in Archaeen: phylogenetische Verteilung und Anwendung als Biomarker in der Meeresumwelt. Umwelt Mikrobiol. 2016;18:692–707.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Versantvoort W, Guerrero-Castillo S, Wessels HJCT, Van Niftrik L, Jetten MSM, Brandt U, et al. Komplexomanalyse des nitritabhängigen methanotrophen Lanthanoidorganismus Methylomirabilis. Biochem Biophys Acta - Bioenerg. 2019;1860:734–44.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pitcher A, Rychlik N, Hopmans EC, Spieck E, Rijpstra WIC, Ossebaar J, et al. Crenarchaeol dominiert die Membranlipide von Candidatus Nitrososphaera gargensis, einem thermophilen Archaeon der Gruppe I.1b. ISME J. 2010;4:542–52.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Villanueva L, Damsté JSS, Schouten S. Eine Neubewertung des Lipid-Biosynthesewegs der archaealen Membran. Nat Rev Microbiol. 2014;12:438–48.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sinninghe Damsté JS, Schouten S, Hopmans EC, Van Duin ACT, Geenevasen JAJ. Crenarchaeol: das charakteristische Kern-Glycerin-Dibiphytanyl-Glycerin-Tetraether-Membranlipid kosmopolitischer pelagischer Crenarchaeota. J Lipid Res. 2002;43:1641–51.

Artikel Google Scholar

Sinninghe Damsté JS, Rijpstra WIC, Hopmans EC, Jung MY, Kim JG, Rhee SK, et al. Intakte polare und Kern-Glycerin-Dibiphytanyl-Glycerin-Tetraether-Lipide der Gruppen I.1a und I.1b Thaumarchaeota im Boden. Appl Environ Microbiol. 2012;78:6866–74.

Artikel PubMed Central Google Scholar

Elling FJ, Könneke M, Mußmann M, Greve A, Hinrichs KU. Einfluss von Temperatur, pH-Wert und Salzgehalt auf die Membranlipidzusammensetzung und TEX86 mariner planktonischer Thaumarchaeal-Isolate. Geochim Cosmochim Acta. 2015;171:238–55.

Artikel CAS Google Scholar

El Sheikh AF, Poret-Peterson AT, Klotz MG. Charakterisierung von zwei neuen Genen, amoR und amoD, im Amo-Operon des marinen Ammoniakoxidationsmittels Nitrosococcus ozeani ATCC 19707. Appl Environ Microbiol. 2008;74:312–8.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Fisher OS, Kenney GE, Ross MO, Ro SY, Lemma BE, Batelu S, et al. Charakterisierung eines lange übersehenen Kupferproteins aus Methan- und Ammoniak-oxidierenden Bakterien. Nat Commun. 2018;9:4276.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Berube PM, Samudrala R, Stahl DA. Die Transkription aller amoC-Kopien ist mit der Genesung von Nitrosomonas europaea nach dem Ammoniakmangel verbunden. J Bakteriol. 2007;189:3935–44.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Berube PM, Stahl DA. Die divergente AmoC3-Untereinheit der Ammoniakmonooxygenase fungiert als Teil eines Stressreaktionssystems in Nitrosomonas europaea. J Bakteriol. 2012;194:3448–56.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lebedeva EV, Hatzenpichler R, Pelletier E, Schuster N, Hauzmayer S, Bulaev A, et al. Anreicherung und Genomsequenz des Ammoniak-oxidierenden Archaeons der Gruppe I.1a 'Ca. Nitrosotenuis uzonensis' repräsentiert eine Gruppe, die weltweit in thermischen Lebensräumen verbreitet ist. Plus eins. 2013;8:e80835.

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Qin W, Heal KR, Ramdasi R, Kobelt JN, Martens-Habbena W, Bertagnolli AD, et al. Nitrosopumilus maritimus gen. Nov., sp. nov., Nitrosopumilus cobalaminigenes sp. nov., Nitrosopumilus oxyclinae sp. nov. und Nitrosopumilus ureiphilus sp. nov., vier marine Ammoniak oxidierende Archaeen des Stammes Thaumarchaeota. Int J Syst Evol Microbiol. 2017;67:5067–79.

Artikel PubMed Google Scholar

Ahlgren NA, Fuchsman CA, Rocap G, Fuhrman JA. Entdeckung mehrerer neuartiger, weit verbreiteter und ökologisch unterschiedlicher mariner Thaumarchaeota-Viren, die AmoC-Nitrifikationsgene kodieren. ISME J. 2019;13:618–31.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lawton TJ, Ham J, Sun T, Rosenzweig AC. Strukturelle Erhaltung der B-Untereinheit in der Ammoniakmonooxygenase/partikulären Methanmonooxygenase-Superfamilie. Proteine. 2014;82:2263–7.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hyman MR, Wood PM. Methanoxidation durch Nitrosomonas europaea. Biochem J. 1983;212:31–37.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hyman MR, Wood PM. Ethylenoxidation durch Nitrosomonas europaea. Arch Microbiol. 1984;137:155–8.

Artikel CAS Google Scholar

Hyman MR, Murton IB, Arp DJ. Wechselwirkung der Ammoniakmonooxygenase aus Nitrosomonas europaea mit Alkanen, Alkenen und Alkinen. Appl Environ Microbiol. 1988;54:3187–90.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jones RD, Morita RY. Methanoxidation durch Nitrosococcus ozeanus und Nitrosomonas europaea. Appl Environ Microbiol. 1983;45:401–10.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li P, Herrmann J, Tolar BB, Poitevin F, Ramdasi R, Bargar JR, et al. Der Nährstofftransport lässt auf eine evolutionäre Grundlage für geladene Oberflächenproteine ​​der Archaeen schließen. ISME J. 2018;12:2389–402.

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sakoula D, Smith GJ, Frank J, Mesman RJ, Kop LFM, Blom P, et al. Universelle aktivitätsbasierte Markierungsmethode für Ammoniak- und Alkan-oxidierende Bakterien. ISME J. 2022;16:958–71.

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken Anas Mohammed Mardini für die hervorragende technische Unterstützung bei der Kultivierung von N. viennensis und Wolfram Weckwerth für den wertvollen Input in den ersten Diskussionen des Projekts. Wir danken außerdem Florian Sikora und Dr. Boris Görke für die technische Unterstützung und Nutzung des OneShot-Geräts zur Zelllyse sowie Dr. Stephanie Eichorst für die Unterstützung und Nutzung der Ultrazentrifuge. Wir danken auch Dr. Thomas Rattei, Florian Goldenberg und Johann Dorn von der Abteilung für Computational Systems Biology (CUBE) für die Bereitstellung der Wartung und des Zugangs zum Life Science Computer Cluster (LiSC) an der Universität Wien.

Dieses Projekt wurde vom Doktoratskolleg (DK) plus: Mikrobieller Stickstoffkreislauf – von einzelnen Zellen zu Ökosystemen (Österreichischer Wissenschaftsfonds W1257), dem ERC Advanced Grant TACKLE (Nr. 695192) und dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2021–2027 der Europäischen Union unterstützt Finanzhilfevereinbarung Nr. 101079299.

Abteilung für Archaeenbiologie und Ökogenomik, Abteilung für Funktionelle und Evolutionsökologie, Universität Wien, Wien, Österreich

Logan H. Hodgskiss, Michael Melcher, Melina Kerou, Rafael I. Ponce-Toledo und Christa Schleper

Massenspektrometrie-Einrichtung, Max Perutz Labs, Vienna BioCenter (VBC), Wien, Österreich

Weiqiang Chen & Markus Hartl

VIB Center for Inflammation Center und Abteilung für Biochemie und Mikrobiologie, Universität Gent, Gent, Belgien

Savvas N. Savvides

Abteilung für Molekulare Systembiologie, Abteilung für Funktionelle und Evolutionsökologie, Universität Wien, Wien, Österreich

Stefanie Wienkoop

Abteilung für Biochemie und Zellbiologie, Max Perutz Labs, Universität Wien, Wien, Österreich

Markus Hartl

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

LHH, MK, SW, MH und CS konzipierten das Forschungsprojekt. Die Untersuchung wurde von LHH, MK, WC, SNS und RIPT durchgeführt. Die Biomasseproduktion wurde von MM durchgeführt. LHH, MK und CS haben den Artikel mit Bearbeitungen und Beiträgen von MM, WC, RIPT, SNS, SW und MH verfasst.

Korrespondenz mit Christa Schleper.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: In diesem Artikel wurden die Zugehörigkeitsdetails für Savvas N. Savvides falsch angegeben. Es hätte „VIB Center for Inflammation Center and Department of Biochemistry & Microbiology, Ghent University, Gent, Belgium“ heißen sollen.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Hodgskiss, LH, Melcher, M, Kerou, M et al. Unerwartete Komplexität der Ammoniakmonooxygenase in Archaeen. ISME J 17, 588–599 (2023). https://doi.org/10.1038/s41396-023-01367-3

Zitat herunterladen

Eingegangen: 08. Juli 2022

Überarbeitet: 09. Januar 2023

Angenommen: 12. Januar 2023

Veröffentlicht: 31. Januar 2023

Ausgabedatum: April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41396-023-01367-3

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Das ISME Journal (2023)