Fremkomsten af ​​mikrobielle snydere i jernbegrænsede miljøer:Undersøgelse afslører deres evolutionære historie

Konkurrence og samarbejde er grundlæggende kræfter, der styrer den evolutionære og økologiske dynamik blandt arter. Balancen mellem disse kræfter varierer på tværs af økologiske sammenhænge, ​​hvor nogle miljøer favoriserer samarbejdsadfærd, der fremmer gensidig fordel, mens andre belønner konkurrencestrategier, der maksimerer individuel fitness.

Blandt mikrobielle samfund giver kemikalier, der udskilles i miljøet, muligheder for både samarbejde og udnyttelse, hvilket i nogle tilfælde giver anledning til mikrobielle "snydere". Disse snydere udnytter deres modparters samarbejdsadfærd og drager fordel af de udskilte forbindelser uden at betale de metaboliske omkostninger ved produktionen.

I en ny artikel offentliggjort i Molecular Biology and Evolution , afslører forskere fra University of Wisconsin-Madison og Vanderbilt University den evolutionære historie om udskilte jernoptagelsesmolekyler i gær, hvilket kaster nyt lys over den samarbejds- og konkurrencedynamik, der former jernbegrænsede mikrobielle samfund.

De fleste organismer kræver jern til adskillige biologiske processer, men er ude af stand til at absorbere den mest almindelige form for jern i miljøet. Jern er derfor ofte en begrænset ressource i biologiske samfund. For at overvinde denne knaphed har mikroorganismer udviklet evnen til at opfange jern fra miljøet ved hjælp af sideroforer, molekyler med høj affinitet for den type jern, der findes i miljøet.

Sideroforer syntetiseres inde i cellen og udskilles derefter i miljøet, hvor de binder sig til jern; de jernbundne molekyler skal derefter importeres tilbage til cellen, før jernet kan frigives og bruges i cellulært stofskifte. Sideroforer, der udskilles i miljøet, kan udnyttes af snydere, som opnår en fitnessfordel ved at optage jernbundne sideroforer uden at investere energi i deres produktion.

Mens de fleste gærarter ikke er i stand til at producere sideroforer, fandt et forskerhold ledet af Chris Hittinger ud af, at gær i Wickerhamiella/Starmerella (W/S) kladden kunne producere en siderofor kaldet enterobactin. De gener, der var nødvendige for at syntetisere enterobactin, blev tilsyneladende vandret overført fra en gammel bakterie til forfaderen til W/S-gær.

Spændende var det dog, at W/S-gærene ikke havde nogen åbenbar måde at genimportere enterobactinsideroforen, når den først var bundet til jern. "Vi fandt ikke noget bakteriel gen, der koder for en enterobactintransportør i deres genomer," siger Liang Sun, hovedforfatter af det nye papir.

"At udskille enterobactin uden at bringe det tilbage i cellen til jernoptagelse ville ikke være et smart træk for en gærcelle, så vi var meget nysgerrige på, hvordan disse gærarter potentielt kunne udnytte jernet bundet til enterobactin."

For at løse dette puslespil søgte holdet i genomet af Starmerella bombicola efter en alternativ mekanisme til siderofor-transport. Gennem målrettede genforstyrrelseseksperimenter og fylogenomiske analyser identificerede holdet et gen kendt som ENB1 som afgørende for optagelsen af ​​enterobactin-bundet jern i St. bombicola. Overraskende nok er ENB1 et ældgammelt svampegen, som sandsynligvis kan dateres hundreder af millioner af år tilbage, før divergensen af ​​svampeafstamningerne Basidiomycota og Ascomycota.

Yderligere analyser afslørede en kompleks historie af ENB1 inden for gær. Forskerne foreslog, at ENB1 blev overført horisontalt fra en forfader af W/S-kladen til en gammel slægt af Saccharomycetales, gruppen der inkluderer Saccharomyces cerevisiae, som bruges til at lave brød, øl og vin. Denne overførsel, sammen med efterfølgende genduplikationer og -tab, har formet den ujævne fordeling af enterobactinudnyttelse, der i øjeblikket observeres blandt gær.

Disse resultater har flere interessante implikationer for historien om jernoptagelse i gær. Da enterobactin-optagelsen tilsyneladende går forud for evnen til at producere enterobactin i W/S-gær, var forfædrene til denne klad sandsynligvis snydere, som havde gavn af produktionen af ​​enterobactin af andre mikrober i deres miljø.

Efterfølgende erhvervede W/S-kladen enterobactinbiosyntesegener fra en bakterie i en økologisk kontekst, hvor det var mere fordelagtigt at være producent end at være en snyder.

Baseret på hvad man ved om fordelingen af ​​disse gærarter, foreslår forfatterne af undersøgelsen, at dette skete i en insekttarm, hvor konkurrencen om jern mellem bakterier, gær og værten kan være hård. W/S-gærens evne til at producere enterobactin og importere det ved hjælp af Enb1-transportøren kan have givet en fitnessfordel i dette stærkt konkurrenceprægede, jernbegrænsede miljø.

I modsætning hertil kan tilbageholdelsen af ​​ENB1 hos snydere som S. cerevisiae "være forbundet med økologiske nicher, hvor bakterie- og svampesamboende producerer enterobactin som reaktion på jernmangel," ifølge undersøgelsens forfattere. "Omvendt kan tabet af ENB1 være sket i gær, der bor i miljøer med relativt høj jerntilgængelighed, eller hvor enterobactin-producenter er fraværende."

Selvom disse resultater er spændende, er der behov for yderligere forskning for fuldt ud at afdække de mekanismer, hvorved svampe- og bakterielle enterobactingener blev integreret i W/S-gær. Ifølge Sun skal disse gener være stramt co-reguleret, da "ubalanceret sekretion og import af enterobactin kan hindre jernoptagelse og efterfølgende føre til vækstfejl i gær."

Desværre bemærker Sun, at de metaboliske og regulatoriske netværk af disse gærarter ikke er godt forstået, hvilket kan gøre fremtidige undersøgelser udfordrende, "At studere reguleringen af ​​denne særlige vej kan derfor kræve yderligere indsats for at udfylde nogle af disse huller."

På trods af disse forhindringer tilbyder dette system en unik model for yderligere forskning i den evolutionære dynamik af siderofortransportører i gær og deres rolle i at fremme samarbejde og snyd i mikrobielle samfund.

Flere oplysninger: Liang Sun et al., Funktionel og evolutionær integration af et svampegen med en bakteriel operon, Molekylærbiologi og evolution (2024). DOI:10.1093/molbev/msae045

Journaloplysninger: Molekylærbiologi og evolution

Leveret af Society for Molecular Biology and Evolution