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広範囲に分布するヒドロゲナーゼは、細菌の増殖中に大気中の水素を酸化します
A widely distributed hydrogenase oxidises atmospheric H during bacterial growth.
PMID: 32647310 DOI: 10.1038/s41396-020-0713-4.
抄録
多様な好気性細菌は、グループ1hの[NiFe]ヒドロゲナーゼを使用して大気中の水素（H）を消費することによって存続しています。しかし、好気性細菌には、2a群の[NiFe]ヒドロゲナーゼを含む他のヒドロゲナーゼクラスも分布しています。シアノバクテリアを中心とした研究から、2a群[NiFe]ヒドロゲナーゼの生理的役割は、ニトロゲナーゼによって生成されたHを再利用することであると報告されています。しかし、このヒドロゲナーゼは、ニトロゲナーゼを欠いた従属栄養細菌やリトサポー ト栄養細菌にも存在することから、細菌の代謝においてより広い役割を果たしている可能性がある。本研究では、この酵素の役割を、系統や生態的ニッチの異なる3種の菌種で検討した。qRT-PCR解析の結果、3種とも2a群の[NiFe]ヒドロゲナーゼが定常期と比較して指数関数的な成長中に有意に増加していることが明らかになった。全細胞生化学的アッセイでは、3つの菌株すべてが好気的に亜大気レベルまで水素を放出することが確認され、成長中は酸化速度がはるかに高くなっていた。さらに、炭素固定菌であるC. aggregansとA. ferrooxidansの混成栄養生育は、Hの酸化によって支えられていた。最後に、このヒドロゲナーゼは広く分布しており、13の細菌系統にコードされていることを系統図解析により明らかにした。これらの知見は、大気中の水素酸化の生理的役割に関する現在の永続性中心のモデルに挑戦し、このプロセスをプロテオバクテリアとジェマティモナドタの2つの系統にまで拡張しました。さらに、これらの知見は、バクテリアが異なる環境下でどのようにエネルギーを節約し、大気中の微量ガスの生物地球化学的循環を制御しているかを理解する上で、より広範な関連性を持っています。
Diverse aerobic bacteria persist by consuming atmospheric hydrogen (H) using group 1h [NiFe]-hydrogenases. However, other hydrogenase classes are also distributed in aerobes, including the group 2a [NiFe]-hydrogenase. Based on studies focused on Cyanobacteria, the reported physiological role of the group 2a [NiFe]-hydrogenase is to recycle H produced by nitrogenase. However, given this hydrogenase is also present in various heterotrophs and lithoautotrophs lacking nitrogenases, it may play a wider role in bacterial metabolism. Here we investigated the role of this enzyme in three species from different phylogenetic lineages and ecological niches: Acidithiobacillus ferrooxidans (phylum Proteobacteria), Chloroflexus aggregans (phylum Chloroflexota), and Gemmatimonas aurantiaca (phylum Gemmatimonadota). qRT-PCR analysis revealed that the group 2a [NiFe]-hydrogenase of all three species is significantly upregulated during exponential growth compared to stationary phase, in contrast to the profile of the persistence-linked group 1h [NiFe]-hydrogenase. Whole-cell biochemical assays confirmed that all three strains aerobically respire H to sub-atmospheric levels, and oxidation rates were much higher during growth. Moreover, the oxidation of H supported mixotrophic growth of the carbon-fixing strains C. aggregans and A. ferrooxidans. Finally, we used phylogenomic analyses to show that this hydrogenase is widely distributed and is encoded by 13 bacterial phyla. These findings challenge the current persistence-centric model of the physiological role of atmospheric H oxidation and extend this process to two more phyla, Proteobacteria and Gemmatimonadota. In turn, these findings have broader relevance for understanding how bacteria conserve energy in different environments and control the biogeochemical cycling of atmospheric trace gases.