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산소에 전기적으로 연결된 케이블 박테리아는 다양한 박테리아 무리를 유인합니다.

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산소에 전기적으로 연결된 케이블 박테리아는 다양한 박테리아 무리를 유인합니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 1614(2023) 이 기사 인용 5264 액세스 1 인용 62 Altmetric Metrics 세부 정보 케이블 박테리아는 센티미터 길이의 사상 박테리아입니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 1614(2023) 이 기사 인용

5264 액세스

1 인용

62 알트메트릭

측정항목 세부정보

케이블 박테리아는 내부 전선을 통해 전자를 전도하는 센티미터 길이의 사상균으로, 더 깊은 무산소 퇴적물의 황화물 산화와 표면 퇴적물의 산소 환원을 결합합니다. 이 활동은 퇴적물에 지구화학적 변화를 일으키고, 다른 박테리아 그룹은 산소에 대한 전기적 연결로부터 이익을 얻는 것으로 보입니다. 여기에서 우리는 다양한 박테리아가 산소 호흡 케이블 박테리아의 무산소 부분 주위에 촘촘한 무리를 지어 헤엄치고 산소와의 연결이 중단되면(레이저로 케이블 박테리아를 절단하여) 즉시 흩어진다는 것을 보고합니다. 라만 현미경은 케이블 박테리아에 가까울수록 무리를 짓는 박테리아가 더 많이 산화된다는 것을 보여 주지만 물리적 접촉은 드물고 짧은 것으로 보이며 이는 확인되지 않은 용해성 중간체를 통해 전자가 잠재적으로 전달될 수 있음을 시사합니다. Metagenomic 분석에 따르면 대부분의 무리를 짓는 박테리아는 유기 영양 생물, 황화물 산화제 및 철 산화제를 포함하여 호흡을 위해 전자를 케이블 박테리아로 전달할 수 있는 호기성 생물인 것으로 나타났습니다. 이러한 다양한 파트너와의 연관성과 긴밀한 상호 작용은 케이블 박테리아를 통한 산소가 어떻게 미생물 군집에 영향을 미치고 무산소 환경까지 프로세스에 영향을 미칠 수 있는지 설명할 수 있습니다.

케이블 박테리아는 센티미터 거리에 걸쳐 전자를 전송할 수 있는 긴 필라멘트 박테리아로 황화물의 산화를 산소 또는 질산염의 원격 환원과 결합시킵니다1,2. 이는 전 세계적으로 해양 및 담수 퇴적물과 대수층3,4,5에서 발생하며 황, 산소, 탄소 및 질소 순환을 직접 방해합니다6. 전자의 재배치에 의해 유도된 pH 구배와 전기장을 통해 철, 칼슘, 코발트, 비소 순환과 서식지의 모든 이온 플럭스에 간접적으로 영향을 미칩니다6,7,8,9. 담수 퇴적물에서는 황산염 감소를 4.5배 자극하고 메탄 배출을 대폭 낮출 수 있습니다10,11.

케이블 박테리아 활동은 또한 독립영양 황화물 산화제12의 탄소 동화 강화와 관련이 있으며 해양 퇴적물13에서 철 순환 박테리아의 분포와 상관관계가 있습니다. 이러한 명백한 연관성은 무산소 퇴적물에 있는 박테리아가 케이블 박테리아를 산소에 대한 전자 도관으로 사용할 수 있다는 추측으로 이어졌습니다.

여기에서 우리는 현미경 관찰, 메타게놈 시퀀싱, 레이저 현미해부 및 라만 현미경의 조합을 사용하여 이 연관성의 역동성과 친밀성을 입증하고 관련 박테리아를 잠정적으로 식별하며 관련 박테리아 무리와 케이블 박테리아 필라멘트 사이의 전자 전달에 대한 가능한 메커니즘을 제안합니다. .

담수 균주 Ca의 농축으로 얻은 케이블 박테리아. Electronema aureum GS16은 현미경 슬라이드(소위 트렌치 슬라이드)의 반자연 조건에서 관찰되었으며, 커버슬립의 가장자리에서 산소가 확산되고 중앙의 퇴적물에서 유기물, 황화물 및 기타 영양분이 공급되었습니다. 구획(트렌치)17,18. 이 설정은 케이블 박테리아가 퇴적물에서 호기성-무산소 경계면으로 뻗어나가는 관찰 구역을 확립했으며, 이는 운동성 호기성 박테리아의 미호기성 베일에 의해 명확하게 묘사되었습니다(그림 S1). 산소-무산소 경계면에서 최대 4mm 떨어진 구역의 무산소 부분에서 박테리아 세포는 케이블 박테리아 세그먼트 주위에서 무리를 지어 헤엄치는 것으로 발견되었으며 일반적으로 인접한 케이블 박테리아 세포 수보다 2.2:1 더 많습니다(그림 1A, 영화). S1, 표 S1). 상세한 세포 추적은 케이블 박테리아에 대한 화학 주성 거동을 보여주었습니다. 무리를 짓는 세포는 케이블 박테리아 필라멘트에 가깝게 집중되어 20μm 거리 내에서 가장 높은 세포 밀도를 나타내었지만 최소 50μm 떨어져 있을 때까지 여전히 밀도가 증가했습니다(그림 1B, 그림 1B). .S2). 케이블 박테리아와 접촉하는 무리를 짓는 박테리아의 명백한 패턴은 없었지만 기존 광학 현미경의 해상도 제한과 더 높은 해상도 방법을 방해하는 상호 작용의 동적 특성으로 인해 현재 터치가 발생할 수 있다는 것을 배제할 수 없습니다. 하지만 그렇다면 그것은 드물고 짧았습니다. 무리를 짓는 박테리아의 수영 속도는 20μm 거리 내에서 크게 향상되었으며(그림 1C), 이는 양성자 원동력이 증가했음을 나타냅니다. 케이블 박테리아로부터 10μm 거리 내에서 형광 in situ 하이브리드화(FISH)로 검출할 수 있는 박테리아 세포의 분율은 10μm보다 훨씬 높았으며(표 S2), 이는 리보솜 수가 더 많아 벌크에 비해 대사 활성이 더 높았음을 나타냅니다. 퇴적세균22. 종합하면, 이는 무리 내의 높은 대사율과 케이블 박테리아에 실제로 가까워질 때 무리를 짓는 박테리아의 대사 자극을 나타냅니다.

1 mg ml−1 humic acids in lake sediment25, or flavins in the nM range in marine sediment26), shuttles do not have to be produced by cable bacteria or associated bacteria. Also, the turnover rate of a soluble mediator in this concentration range would be below 2 s (Supplementary Note 1, Table S4). This rapid turnover suggests an immediate depletion of the oxidized mediator once cable bacteria stop re-oxidizing its reduced form and thus explains the rapid dispersal of the bacterial flock upon cutting the connection of the filament to oxygen. That cable bacteria provide a potent oxidized electron shuttle seems the only plausible explanation for the proliferation of other bacteria associated with cable bacteria in the anoxic sediment compartment12,13, the amount and vigor of motile cells surrounding cable bacteria (Fig. 1A, Movie S1), and their rapid dispersal after cutting (Movie S2)./p>7 years in our laboratory./p>30% sequence identity over 70% of the length of the query sequence. A single positive BLAST match for an EET-related gene (see Supplementary Dataset 1) was considered a full match. Dissimilatory sulfite reductase (DsrAB) proteins were determined as being oxidative or reductive based on the best BLAST hit against a DsrAB database43. These combined kofamscan and BLAST methods were used to determine the traits shown in Fig. 3. Sulfide oxidation determination was based on the presence/absence of genes encoding reverse DsrAB or the Sox system. Sulfate reduction was based on the presence of dsrAB43. Aerobic respiration was based on the presence of at least one set of genes encoding a cytochrome c oxidase. Nitrate/nitrite respiration was based on the presence of genes encoding one of several nitrate or nitrite reductases. Autotrophy was indicated by the presence of acsAB (indicating the Wood–Ljungdahl pathway), cbbLS (indicating the Calvin Cycle), or nifJ/porCDAB/oorDABC (indicating the reverse citric acid cycle). Further pathways and genes for chemotaxis, flagellar assembly, glycolysis, and aerobic methane or formate metabolism were also screened but not included in Fig. 3. All details of accession numbers screened for these genes and pathways are included in the header of Supplementary Dataset 1./p>