돌고래 입에서 이전에 특성화되지 않은 직사각형 박테리아 구조

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2098(2023) 이 기사 인용

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배양되지 않은 숙주 관련 미생물의 다양성에 관해 아직 탐구해야 할 부분이 많이 남아 있습니다. 여기서는 병코돌고래 입의 직사각형 세균 구조(RBS)에 대해 설명합니다. DNA 염색은 RBS 내에서 여러 쌍의 밴드를 나타냈는데, 이는 세로 축을 따라 분열하는 세포의 존재를 암시합니다. 극저온 투과전자현미경과 단층촬영을 통해 세포일 가능성이 있는 평행한 막 결합 세그먼트가 S층과 같은 주기적인 표면 덮개로 캡슐화되어 있음을 보여주었습니다. RBS는 끝 부분에 실 묶음이 펼쳐져 있는 특이한 기둥 모양의 부속물을 표시했습니다. 우리는 미세 조작된 RBS의 게놈 DNA 시퀀싱, 16S rRNA 유전자 시퀀싱 및 형광 in situ 하이브리드화를 포함하여 여러 줄의 증거를 제시합니다. 이는 RBS가 박테리아이며 유사한 형태를 공유하는 Simonsiella 및 Conchiformibius(Neisseriaceae과) 속과 구별됨을 시사합니다. 그리고 분할 패터닝. 우리의 연구 결과는 현미경과 같은 유전체학에 보완적인 도구를 사용하여 특성화를 기다리는 새로운 미생물 형태와 생활 방식의 다양성을 강조합니다.

미생물 세계에 대한 최초의 설명은 "동물"의 형태와 운동성 패턴을 중심으로 이루어졌습니다1. van Leeuwenhoek의 혁신적인 발견 이후 수세기 동안 Stella2,3 속의 별 모양 박테리아부터 Myxobacterales 목의 특징인 다세포 자실체에 이르기까지 매우 다양한 미생물 형태가 설명되었습니다4,5. 형태는 생물학적으로 중요한 특성으로, 유기체의 생활 방식과 환경적 맥락에서 발생하는 선택 압력에 의해 시간이 지남에 따라 고도로 보존되고 형성되는 경우가 많습니다6. 실제로 세포 형태는 운동성, 영양분 획득, 세포 분열, 숙주와의 공생을 비롯한 다른 세포와의 상호 작용에서 중요한 역할을 하며, 이 모든 것이 생존의 강력한 결정 요인입니다7. 따라서 형태학적 및 구조적 연구는 미생물의 생명체 형태와 종이 기능하고 환경에 영향을 미치는 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 매력적인 경로를 제공합니다. 더욱이, 생명나무의 미지의 가지에 있는 다양한 범위의 미생물의 구조와 기능을 특성화하는 것은 진화에 대한 우리의 이해를 넓힐 수 있는 기회를 제공하며, 광유전학8 및 CRISPR의 개발로 예시되는 생명공학 및 의학 분야에 무수히 응용될 수 있습니다. 기반 유전자 편집9.

유전체학은 미생물 세계를 설명하는 강력한 렌즈 역할을 합니다. 최근 몇 년 동안 메타게놈 및 단일 세포 게놈 분석을 통해 알려진 미생물 문 수준 계통의 수가 박테리아 영역에서 거의 4배나 증가했습니다10,11,12,13. 새로 발견된 유기체의 게놈 서열 분석을 통해 새로운 기능 시스템, 단백질 변종 유형 및 생활 방식이 발견되었으며11,14,15,16,17, 이는 계통발생적 다양성과 기능적 잠재력 사이의 상관관계를 보여줍니다18. 그러나 이러한 접근법의 적용 가능성은 대부분 잘 특성화된 유기체의 단백질 및 조절 시스템과 상동하는 것으로 제한됩니다. 완전히 새로운 표현형 및/또는 유전적 기초가 알려지지 않은 표현형 및 기능을 예측하려면 일반적으로 보완적인 지식이 필요합니다. 실험실 배양에 대한 지구상 대부분의 미생물 종의 반항성을 감안할 때(2016년 대략 문 수준 계통의 72%에 배양된 대표자가 없음)19, 현미경 검사와 같이 배양된 분리균이 필요하지 않은 방법은 다음과 같은 매력적이고 보완적인 경로를 제공합니다. 배양되지 않은 계통의 새로운 형태학적, 기능적 특성을 연구합니다. 예를 들어, 최근 극저온 전자현미경(cryoEM)과 단층촬영(cryoET)의 발전으로 수 나노미터의 해상도로 손상되지 않은 박테리아 세포의 3차원(3D) 이미징이 가능해졌으며20 새로운 미생물의 발견과 특성화에 중요한 발전이 이루어졌습니다. 구조21,22. 현재 세포 생물학에 대한 우리의 지식은 배양 가능한 박테리아에 대한 관찰과 실험으로 크게 제한되어 있으며, 따라서 실험실 조건에서 성장에 도움이 되는 유기체에 대한 우리의 이해에는 심각한 편견이 존재합니다. "미배양 다수"를 연구하기 위한 현미경 및 비시퀀싱 기반 기술의 사용은 진화한 박테리아 생활 방식의 전체 다양성을 특성화하는 데 필수적이며, 특히 병코의 구강과 같이 상대적으로 연구되지 않은 환경에서 박테리아를 특성화하려는 노력에 필수적입니다. 새로운 미생물과 기능적 잠재력이 풍부한 돌고래(Tursiops truncatus).

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

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

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