Identificazione di un profondo

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4354 (2023) Citare questo articolo

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È stato proposto che i primi batteri, o anche l'ultimo antenato comune universale di tutte le cellule, fossero termofili. Tuttavia, la ricerca sull'origine e l'evoluzione della termofilia è ostacolata dalle difficoltà associate all'isolamento di microrganismi termofili con ramificazione profonda in coltura pura. Qui, isoliamo un batterio termofilo con ramificazione profonda da una bocca idrotermale di acque profonde, utilizzando una strategia di coltivazione in due fasi (“Subtraction-Suboptimal”, StS) progettata per isolare organismi rari. Il batterio, che chiamiamo Zhurongbacter thermophilus 3DAC, è un eterotrofo solfo-riduttore che è filogeneticamente correlato al Coprothermobacterota e ad altri gruppi batterici termofili, formando un clade che sembra rappresentare un lignaggio batterico importante e precocemente divergente. L'antenato di questo clade potrebbe essere un batterio termofilo, strettamente anaerobico, mobile, idrogeno-dipendente e mixotrofico. Pertanto, il nostro studio fornisce informazioni sull’evoluzione iniziale dei batteri termofili.

Gli organismi con temperature ottimali di crescita superiori a 45 °C sono designati come termofili1,2. Questi termofili sono distribuiti ubiquitariamente in ambienti naturali o artificiali ad alta temperatura, come siti vulcanici terrestri, sorgenti termali, sistemi idrotermali sottomarini, fondali profondi, giacimenti petroliferi, suoli superficiali riscaldati dal sole e incubatori industriali3,4,5,6,7, 8. Alcuni termofili possono anche vivere in condizioni alcaline, acide o ad alta salinità, evidenziando la loro capacità di tollerare molteplici fattori di stress9,10. Questi cosiddetti "ambienti estremi" sono generalmente considerati analoghi alle condizioni esistenti sulla Terra primordiale quando la vita ebbe origine nel tardo Adeano o nel primo eone Archeano11,12, e numerosi studi sperimentali13,14 e prove geologiche15 hanno supportato l'origine primitiva dei termofili.

I batteri termofili possono essere trovati in un'ampia gamma di phyla batterici, ma solo pochi phyla contengono quasi esclusivamente batteri termofili, vale a dire Aquificota, Dictyoglomota, Coprothermobacterota, Thermotogota e Thermodesulfobiota. Sebbene sia stato suggerito che la termofilia possa rappresentare una caratteristica ancestrale dei batteri o addirittura della vita16,17,18,19,20, altre ipotesi hanno avanzato un'origine non termofila dei batteri e hanno collocato lignaggi batterici come Chloroflexota o il candidato Phyla Radiation (CPR) vicino alla radice dell'albero filogenomico batterico21,22,23. Uno studio recente che utilizza un approccio di riconciliazione albero-specie albero gene-outgroup ha rifiutato le radici batteriche precedentemente previste e ha posizionato una nuova radice robusta tra due principali rami batterici, cioè Gracilicutes e Terrabacteria, anche se con incertezze riguardo alla posizione filogenetica del lignaggio Fusobacteriota24 . Tuttavia, non è chiaro quando abbiano avuto origine i batteri termofili e come si sia evoluto il loro metabolismo.

Il potenziale metabolico previsto dell'ultimo antenato comune batterico (LBCA) o del primo lignaggio batterico divergente può far luce sugli ambienti primordiali della Terra e sui primi ecosistemi20,25,26,27,28. Per i batteri termofili, diversi studi precedenti incentrati su diversi lignaggi come Thermotogota29, Aquificota30 e Coprothermobacterota31 hanno rivelato una storia evolutiva complessa con un'elevata percentuale di geni trasferiti orizzontalmente da altri procarioti. Tuttavia, manca ancora uno studio evolutivo basato su analisi genomiche comparative complete dei principali cladi batterici termofili. Anche se le analisi metagenomiche senza coltivazione hanno notevolmente ampliato la nostra conoscenza della diversità batterica32,33, la ricerca sui batteri termofili richiede ancora che ceppi isolati forniscano prove dirette della loro fisiologia, come la temperatura di crescita ottimale per confermare le loro caratteristiche termofile. Tuttavia, è estremamente difficile ottenere nuovi batteri termofili in coltura pura, soprattutto per cladi con ramificazione profonda.

1, P value < 0.05] (Supplementary Data 1). This figure was created using BioRender (https://biorender.com/). b Growth capabilities on varied carbon sources of strain 3DAC. Computational predictions were simulated by the genome-scale metabolic model of 3DAC (Supplementary Data 1). “20aa”: all 20 amino acids supplemented as the sole carbon source. “20aa-X”: removal of individual amino acids X. “20aa+Y”: extra carbon source Y supplied with 20 amino acids. “+”: similar growth yields compared with the 20aa condition; “++”: at least 1.5-fold higher growth yields than 20aa; “-”: no growth. c Sulfide concentration and OD600 during the growth of strain 3DAC. S: medium with elemental sulfur; NS: no elemental sulfur. Error bars represent the standard deviations (SDs) from independent biological triplicates (n = 3) during the experiments under 0.1 MPa. Data are presented as average values ± SD. d Experimental and computational growth yields of the 3DAC strain by utilizing various sulfur species. In the experimental group, error bars represent the standard deviations (SDs) from independent biological duplicates (n = 2) during the experiments under 0.1 MPa. Data are presented as average values ± SD. e Simulations of wild-type 3DAC (WT), single deletions (-MBS, -Nfn2, -SH1), double deletions (-MBS-Nfn2, -MBS-SH1 and -Nfn2-SH1) and triple deletions (-MBS-Nfn2-SH1) of archaea-derived complexes in energetic processes at 3DAC. Source data are provided as a Source Data file./p>60%) as genes reported in hyperthermophilic archaea Thermococcales42,43./p>95% coverage) from Coprothermobacterota and compared the sequence identities with those of the 3DAC clade. The 16S rRNA gene sequence identities ranged from 75.73 to 83.00% (Supplementary Data 5). Since strain 3DAC was isolated from a high-temperature hydrothermal vent environment, we propose 3DAC as Zhurongbacter thermophilus 3DAC, named after Zhurong, the fire god in Chinese myth. For higher taxonomic classification, based on the suggested AAI ranges for the whole-genome51 and median 16S rRNA gene sequence52 identities to distinguish a new phylum, it is likely that this lineage represents a previously unknown thermophilic bacterial phylum. However, the relative evolutionary divergence (RED) score of strain 3DAC indicates that 3DAC might belong to a class-level lineage within the phylum Coprothermobacterota based on GTDB taxonomy53. There is a discordance between traditional classification and GTDB, hence, here we only temporally call the clade represented by 3DAC as a deep-branching lineage Zhurongbacterota until more 3DAC-related species are discovered for more accurate taxonomic assessment, as well as the prokaryotic taxonomic definition of phylum reach a consensus within the scientific community./p>0.3, Supplementary Data 2). Nevertheless, the amino acid biosynthesis pathways are not complete, possibly due to the limitation of ancestral prediction. A genome-scale metabolic model of the CCTB ancestor was further constructed and suggests it is a motile mixotrophic bacterium with carbon dioxide, saccharides and proteins as substrates (Supplementary Data 2). This predicted ancestral metabolism of the CCTB ancestor also shares many similarities with the recently inferred metabolic capacities of the last universal common ancestor (LUCA) and LBCA20,24,75. The CCTB ancestor, LUCA and LBCA are considered strictly anaerobic microorganisms. Both the CCTB ancestor and LUCA are predicted to be thermophilic and share the potential for metabolizing hydrogen, while LBCA and the CCTB ancestor share the predictions for motility and the potential for degrading organic carbon compounds./p>

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