Adattamento metabolico all'auxotrofia vitaminica da parte delle foglie

The ISME Journal volume 16, pagine 2712–2724 (2022)Citare questo articolo

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Gli auxotrofi non sono in grado di sintetizzare tutti i metaboliti essenziali per il loro metabolismo e fanno affidamento su altri per fornirli. Sono stati studiati intensamente in mutanti generati ed evoluti in laboratorio, ma i meccanismi emergenti di adattamento all'auxotrofia non sono stati affrontati sistematicamente. Qui, abbiamo studiato gli auxotrofi nei batteri isolati dalle foglie di Arabidopsis thaliana e abbiamo scoperto che fino alla metà dei ceppi hanno requisiti auxotrofici per biotina, niacina, pantotenato e/o tiamina. Abbiamo quindi esplorato le basi genetiche dell'auxotrofia e i tratti che si verificano in concomitanza con l'auxotrofia vitaminica. Abbiamo scoperto che i ceppi auxotrofi generalmente immagazzinano coenzimi con la capacità di crescere esponenzialmente per 1-3 raddoppiamenti senza integrazione vitaminica; tuttavia, la conservazione più elevata osservata è stata quella della biotina, che ha consentito 9 raddoppiamenti in un ceppo. Negli esperimenti di co-coltura, abbiamo dimostrato l'apporto di vitamine agli auxotrofi e abbiamo scoperto che i ceppi auxotrofi mantenevano una ricchezza di specie più elevata rispetto ai prototrofi dopo l'integrazione esterna con vitamine. L’estensione di un modello di risorse del consumatore ha previsto che gli auxotrofi possono utilizzare composti di carbonio forniti da altri organismi, suggerendo che i ceppi auxotrofi beneficiano di sottoprodotti metabolici oltre alle vitamine.

I coenzimi sono essenziali per il metabolismo cellulare. Costituiscono il nucleo di molte reazioni catalizzate da enzimi (ad esempio, reazioni redox, transaminazioni e formazione di legami carbonio-carbonio) e agiscono come trasportatori per unità monocarboniose e acidi organici [1]. Gli organismi con difetti nella loro biosintesi, auxotrofi, devono ottenere coenzimi o molecole precursori di coenzimi, cioè vitamine, mediante apporto esterno. Poiché fanno affidamento sull’apporto di vitamine nel loro ambiente per consentire la crescita, l’instabilità del coenzima aggraverebbe la necessità di approvvigionamento esterno. È stato recentemente dimostrato che la struttura carboniosa dei coenzimi è stabile in vivo [2]. Infatti, la longevità del coenzima, cioè l'assenza di degradazione e ricostruzione intracellulare, è una proprietà intrinseca che potrebbe essere stata selezionata evolutivamente [2, 3] e può essere considerata un prerequisito per la proliferazione di organismi auxotrofi. I requisiti auxotrofici possono evolversi rapidamente negli esperimenti di evoluzione di laboratorio in terreni ricchi di nutrienti, come mostrato nelle popolazioni di Escherichia coli [4]. Anche i ceppi auxotrofi sono stati isolati dalla natura e sono spesso il risultato della perdita genetica [5,6,7]. Tuttavia, al momento non è chiaro quanto siano comuni gli auxotrofi nei batteri nella maggior parte degli ambienti. Numerosi studi recenti hanno riportato previsioni sui fabbisogni nutrizionali direttamente dai dati genomici utilizzando modelli metabolici su scala genomica o identificando lacune nei genomi senza validazione sperimentale [8,9,10,11,12,13] o concentrando la validazione sperimentale su pochi ceppi [14,15,16]. Questi studi sono stati utilizzati per prevedere le reti di interazione delle comunità microbiche, che a loro volta sono servite a dedurre l'alimentazione incrociata metabolica nelle comunità batteriche [17]. La frequenza delle auxotrofie per coenzimi, basi azotate e amminoacidi nei batteri sequenziati è stata stimata in analisi computazionali e potrebbe raggiungere il 75% [13], sebbene queste analisi probabilmente mostrino un alto tasso di falsi positivi rispetto ai dati ottenuti sperimentalmente [ 18].

Gli auxotrofi richiedono un apporto esterno di vitamine, il che solleva la questione degli adattamenti fisiologici o di altro tipo degli auxotrofi, compreso l'immagazzinamento delle vitamine. È noto da tempo che i batteri lattici auxotrofi mantengono la crescita dopo la rimozione delle vitamine [19]. Sebbene sia stato dimostrato l’immagazzinamento intracellulare di composti elementari come carbonio, fosforo e azoto [20,21,22], l’immagazzinamento di piccole molecole, comprese vitamine e coenzimi, non è attualmente ben stabilito. Inoltre, non è chiaro quanto sia diffuso il potenziale di stoccaggio nei batteri ambientali. Vi è un rinnovato interesse nel valutare lo stoccaggio di diversi composti a causa delle implicazioni ecologiche della capacità dei microbi di mantenere la crescita senza accesso esterno alle risorse [23]. I ceppi prototrofi di E. coli che sono stati mutati nei geni coinvolti nella biosintesi dei coenzimi, cioè i mutanti auxotrofi "artificiali", hanno una capacità di immagazzinamento di circa un raddoppio dopo la rimozione della vitamina essenziale [2]. Questo doppio eccesso di coenzimi è probabilmente il requisito minimo per mantenere il metabolismo resistente all'espansione cellulare durante la divisione cellulare. Questi risultati ci hanno portato a ipotizzare che per gli auxotrofi presenti in natura dove l’apporto di coenzima può essere irregolare, potrebbero essersi evolute diverse strategie per far fronte alla dipendenza dai nutrienti e allo stoccaggio del coenzima. La perdita di biosintesi di un composto potrebbe anche influenzare la funzione di una cellula in modo più sistemico. Le conseguenze fisiologiche dirette derivanti dalla perdita di biosintesi sono state studiate in organismi modello come E coli, Bacillus subtilis e Acinetobacter baylyi e includono benefici in termini di forma fisica [4, 13, 24] e potenziale di cross-feeding [25, 26]. Questi studi dimostrano che, finché è disponibile il nutriente richiesto, gli auxotrofi superano il tipo selvatico. Si può prevedere che, dato un tempo evolutivo sufficiente, altri tratti potrebbero essere selezionati per compensare la perdita di capacità biosintetica. Questa perdita di una funzione essenziale, ad esempio una particolare via biosintetica, potrebbe poi estendersi ad altri composti disponibili nella nicchia ormai obbligatoria, nonché a caratteristiche che aiutano a far fronte alla carenza di nutrienti. Quest’ultimo potrebbe comportare, ad esempio, l’ottimizzazione dell’uso dei coenzimi auxotrofi nelle vie metaboliche, l’aumento dell’immagazzinamento delle vitamine, l’investimento di più energia nei sistemi di riparazione o l’ottimizzazione dei tassi di crescita e di assorbimento dei nutrienti [9, 27,28,29].