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May 28, 2023

Expressão de metil/alquil coenzima M redutases divergentes de archaea não cultivadas

Volume de Biologia da Comunicação

Communications Biology volume 5, Número do artigo: 1113 (2022) Citar este artigo

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As metanogênicas e as archaea anaeróbias de oxidação de metano (ANME) são atores importantes no ciclo global do carbono. A metil-coenzima M redutase (MCR) é uma enzima chave no metabolismo do metano, catalisando a última etapa da metanogênese e a primeira etapa da oxidação anaeróbica do metano. Genes divergentes mcr e mcr-like foram recentemente identificados em linhagens arqueais não cultivadas. No entanto, a montagem e a bioquímica de MCRs de archaea não cultivadas permanecem amplamente desconhecidas. Aqui apresentamos uma abordagem para estudar MCRs de archaea não cultivadas por expressão heteróloga em um metanogênico, Methanococcus maripaludis. O promotor, a estrutura do operon e a temperatura foram determinantes importantes para a produção de MCR. Tanto o metanocócico recombinante quanto o ANME-2 MCR montados com o hospedeiro MCR formando complexos híbridos, enquanto o ANME-1 MCR testado e a etil-coenzima M redutase formaram apenas complexos homogêneos. Juntamente com a modelagem estrutural, isso sugere que ANME-2 e MCRs de metanogênio são estruturalmente semelhantes e suas direções de reação são provavelmente reguladas pela termodinâmica, em vez de diferenças estruturais intrínsecas.

Metanogênicos ou archaea metanogênicos são considerados uma das primeiras formas de vida microbiana na Terra1,2 - e junto com archaea anaeróbios oxidantes de metano (ANME), eles desempenham papéis fundamentais no ciclo global do carbono. Hoje, os metanogênicos produzem cerca de um bilhão de toneladas de metano anualmente em ambientes anóxicos usando vários substratos, incluindo H2/CO2, formato, acetato e compostos C1-metilados3, bem como aqueles recentemente descobertos, incluindo componentes de carvão4,5 e alcanos6 de cadeia longa. Em sedimentos marinhos anóxicos, estima-se que ∼90% do metano biogênico seja oxidado pela ANME a CO2 usando uma via de metanogênese reversa7, mitigando a liberação de metano na atmosfera.

Todos os ANME e muitos metanogênicos permanecem não cultivados como culturas de uma única espécie. Com base em metagenomas ambientais e culturas de enriquecimento, os ANME são bioquimicamente e geneticamente intimamente relacionados aos metanogênicos, compartilhando um conjunto semelhante de enzimas para a oxidação anaeróbica do metano (AOM) na direção oposta da formação do metano8,9,10,11. A ANME usa metano como fonte de carbono e energia e transfere elétrons do metano para parceiros bacterianos redutores de sulfato sintróficos9,12,13 ou aceptores de elétrons inorgânicos, como nitrato14, Fe(III)15,16,17 e Mn(IV)15 . Os ANME conhecidos não constituem um único grupo taxonômico e pertencem às ordens "Ca. Methanophagales" (ANME-1) e Methanosarcinales (ANME-2 e ANME-3)10. A ordem Methanosarcinales também contém metanogênios. Os detalhes fisiológicos e bioquímicos da ANME permanecem amplamente desconhecidos devido à falta de culturas puras e crescimento lento de enriquecimentos8,18.

A metil-coenzima M (CoM) redutase (MCR) é uma enzima chave do metabolismo anaeróbico do metano19. Ele catalisa a última reação de formação de CH4 na metanogênese e a primeira reação de ativação de CH4 na AOM. A reversibilidade da reação MCR (reação 1) foi demonstrada experimentalmente com um Methanothermobacter marburgensis MCR20. Recentemente, a relacionada alquil-coenzima M redutase (ACR) foi proposta para catalisar a oxidação de alcanos de cadeia curta (por exemplo, etano, propano e butano) por archaea oxidante de alcano anaeróbico (ANKA)21,22,23,24.

O complexo MCR é composto por um dímero de heterotrímeros (αβγ)2 com uma molécula da coenzima F430 tetrapirrol contendo Ni em cada um dos dois sítios ativos25. Cada F430 está profundamente enterrado no complexo proteico e só é acessível de fora por um canal de 50 Å formado por várias subunidades, McrA, A', B e G ou McrA', A, B' e G'26,27. O estado de oxidação Ni(I) de F430 é necessário para a atividade. O par Ni(II)/Ni(I) tem um potencial redox extremamente negativo (Eo') abaixo de ‒600 mV28 e, portanto, o MCR é muito sensível ao oxigênio e requer um sistema enzimático complexo para ativação redutora dependente de ATP29. Múltiplas modificações pós-traducionais únicas (PTMs) estão presentes na subunidade McrA e ajustam a estabilidade e a atividade do MCR30,31,32. Embora as estruturas cristalinas de um ANME-1 MCR33 e uma etil-coenzima M redutase (ECR)34 tenham sido resolvidas, a montagem e as propriedades bioquímicas das enzimas ANME e ANKA permanecem pouco compreendidas. A expressão heteróloga dos genes que codificam um ANME-1 MCR em Methanosarcina acetivorans estimulou a oxidação do metano pelo organismo recombinante, fornecendo mais evidências para o papel dessas enzimas35. Recentemente, o Methanothermococcus okinawensis MCR foi expresso de forma heteróloga no metanogênio modelo Methanococcus maripaludis36. Aqui, desenvolvemos ainda mais a expressão heteróloga de MCRs em M. maripaludis que abre caminho para o estudo de complexos enzimáticos de archaea não cultivadas.