ランタニド依存性メチロトロフ科 : 生理学的・ゲノム的知見

Lanthanide-Dependent Methylotrophs of the Family : Physiological and Genomic Insights.

• Carl-Eric Wegner
• Linda Gorniak
• Stefan Riedel
• Martin Westermann
• Kirsten Küsel

抄録

メチル栄養細菌は、メタノールおよび関連するＣ化合物を炭素およびエネルギー源として利用する。メタノール脱水素酵素はメタノール酸化に必須であるが、ランタノイドは多くのピロロロキノリンキノン依存性メタノール脱水素酵素や関連するアルコール脱水素酵素の重要な補因子である。本研究では、新たに分離されたランタノイド依存性メタノール酸化細菌の生理的・ゲノム的特徴を明らかにした。本研究では、ランタノイドに依存してメタノールを酸化する細菌の生理的・ゲノム的特徴を明らかにした。メタノール酸化は、低質量ランタノイド（La, Ce, Nd）の存在下でのみ可能であり、サブマイクロモル濃度（100nM以上）であった。他の遺伝子と比較した結果、ホルムアルデヒドの酸化にはグルタチオンとテトラヒドロフォレートに依存した経路が利用されており、炭素同化のためにメチル基をセリンサイクルに誘導していることが明らかになった。また、ランタノイド依存性アルコールデヒドロゲナーゼのための2つの遺伝子を同定した。そのうちの1つはExaF型アルコールデヒドロゲナーゼをコードするもので、これまでホモログでは知られていなかったが、ランタノイドの利用と輸送に関連する遺伝子クラスターのほとんどの遺伝子産物が検出された。ランタノイド依存性代謝の全体像をより完全に理解するためには、これらの菌株や他の生物の非メチル栄養条件下でのランタノイドに対する生理的反応を研究する必要がある。本研究では、ランタノイド依存性代謝産物の多様性についての知見を補完するために、ランタノイド依存性代謝産物に依存してメタノール酸化を行うランタノイド依存性代謝産物の新規メンバーを同定し、その特徴を明らかにした。ランタノイドは現代の多くの用途に不可欠な資源であり、その回収にはコストがかかり、環境への負荷が大きいことを考えると、微生物におけるランタノイド依存性代謝は爆発的に研究が進んでいる分野である。ランタノイド依存性代謝の理解を深めるためには、分離された微生物やその他の微生物がどのようにランタノイドを利用しているのか、さらなる研究が必要である。ランタノイド依存性酵素の多様性と広範な出現により、ランタノイドの利用は異なる分類群で異なり、微生物の生息環境に依存している可能性が高い。

Methylotrophic bacteria use methanol and related C compounds as carbon and energy sources. Methanol dehydrogenases are essential for methanol oxidation, while lanthanides are important cofactors of many pyrroloquinoline quinone-dependent methanol dehydrogenases and related alcohol dehydrogenases. We describe here the physiological and genomic characterization of newly isolated bacteria that rely on lanthanides for methanol oxidation. A broad physiological diversity was indicated by the ability to metabolize a wide range of multicarbon substrates, including various sugars, and organic acids, as well as diverse C substrates such as methylated amines and methylated sulfur compounds. Methanol oxidation was possible only in the presence of low-mass lanthanides (La, Ce, and Nd) at submicromolar concentrations (>100 nM). In a comparison with other , genomic and transcriptomic analyses revealed the usage of a glutathione- and tetrahydrofolate-dependent pathway for formaldehyde oxidation and channeling methyl groups into the serine cycle for carbon assimilation. Besides a single gene, we identified two additional genes for lanthanide-dependent alcohol dehydrogenases, including one coding for an ExaF-type alcohol dehydrogenase, which was so far not known in Homologs for most of the gene products of the recently postulated gene cluster linked to lanthanide utilization and transport could be detected, but for now it remains unanswered how lanthanides are sensed and taken up by our strains. Studying physiological responses to lanthanides under nonmethylotrophic conditions in these isolates as well as other organisms is necessary to gain a more complete understanding of lanthanide-dependent metabolism as a whole. We supplemented knowledge of the broad metabolic diversity of the by characterizing new members of this family that rely on lanthanides for methanol oxidation and that possess additional lanthanide-dependent enzymes. Considering that lanthanides are critical resources for many modern applications and that recovering them is expensive and puts a heavy burden on the environment, lanthanide-dependent metabolism in microorganisms is an exploding field of research. Further research into how isolated and other microbes utilize lanthanides is needed to increase our understanding of lanthanide-dependent metabolism. The diversity and widespread occurrence of lanthanide-dependent enzymes make it likely that lanthanide utilization varies in different taxonomic groups and is dependent on the habitat of the microbes.

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