北極圏コングスフィヨルデンのD-アミノ酸利用細菌の多様性と7種類のD-アミノ酸の代謝経路

Diversity of D-Amino Acid Utilizing Bacteria From Kongsfjorden, Arctic and the Metabolic Pathways for Seven D-Amino Acids.

• Yang Yu
• Jie Yang
• Li-Yuan Zheng
• Qi Sheng
• Chun-Yang Li
• Min Wang
• Xi-Ying Zhang
• Andrew McMinn
• Yu-Zhong Zhang
• Xiao-Yan Song
• Xiu-Lan Chen

抄録

D-アミノ酸（DAA）は、海洋の難分解性溶存有機物プールの重要な構成要素である。微生物は、海洋におけるDAAのリサイクルを促進する上で重要な役割を果たしている。しかし、海洋のDAA利用細菌の多様性や、DAAをどのように代謝するのかについては、ほとんど研究されていません。本研究では、DAAを唯一の窒素源とする濃縮培養により、北極圏のコングスフィヨルデンの表層海水および堆積物から、3系統12属の細菌を回収し、7つのDAA利用細菌株を分離した。これらの菌株はそれぞれ異なるDAA利用能を有していた。7種類のDAAのうち、SM1922株は7種類、SM1927株は5種類のDAAを利用することができたが、他の菌株は1種類または2種類のDAAしか利用することができなかった。ゲノム解析、転写解析、生化学的解析に基づき、各菌株のDAA代謝に関与する主要遺伝子を同定し、これらの海洋細菌における7種類のDAAの代謝経路を同定した。DAAのα-ケト酸への変換は、一般的に海洋性DAA利用細菌の主要な代謝経路であり、DAA酸化還元酵素/脱水素酵素、D-セリンアンモニアリアーゼ、D-セリンアンモニアリアーゼDSD1s、DAAトランスアミナーゼなどの主要な酵素によって行われている。さらに、ＤＡＡのＬＡＡへの変換も別の経路であり、これはアミノ酸ラセマーゼによって行われる。その中で、D-セリンアンモニアリアーゼDSD1とAspラセマーゼが初めて細菌のDAA利用に利用されていることが明らかになった。これらの結果は、海洋のDAA利用細菌とそれに関わるDAA代謝経路を明らかにし、海洋におけるDAAリサイクルの理解を深めるものである。

D-amino acids (DAAs) are an important component of the refractory dissolved organic matter pool in the ocean. Microbes play a vital role in promoting the recycling of DAAs in the ocean. However, the diversity of marine DAA-utilizing bacteria and how they metabolize DAAs are seldom studied. Here, by enrichment culture with DAAs as the sole nitrogen source, bacteria of 12 families from three phyla were recovered from surface seawater and sediment from Kongsfjorden, Arctic, and seven DAA-utilizing bacterial strains were isolated. These strains have different DAA-utilizing abilities. Of the seven DAAs used, SM1922 and SM1927 were able to utilize seven and five of them, respectively, while the other strains were able to utilize only one or two. Based on genomic, transcriptional and biochemical analyses, the key genes involved in DAA metabolism in each strain were identified and the metabolic pathways for the seven DAAs in these marine bacteria were identified. Conversion of DAAs into α-keto acids is generally the main pathway in marine DAA-utilizing bacteria, which is performed by several key enzymes, including DAA oxidoreductases/dehydrogenases, D-serine ammonia-lyases, D-serine ammonia-lyase DSD1s and DAA transaminases. In addition, conversion of DAAs into LAAs is another pathway, which is performed by amino acid racemases. Among the identified key enzymes, D-serine ammonia-lyase DSD1 and Asp racemase are first found to be employed by bacteria for DAA utilization. These results shed light on marine DAA-utilizing bacteria and the involved DAA metabolism pathways, offering a better understanding of the DAA recycling in the ocean.

Copyright © 2020 Yu, Yang, Zheng, Sheng, Li, Wang, Zhang, McMinn, Zhang, Song and Chen.