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Aug 07, 2023

배양되지 않은 고세균으로부터 다양한 메틸/알킬 조효소 M 환원효소의 발현

커뮤니케이션 생물학 볼륨

커뮤니케이션 생물학 5권, 기사 번호: 1113(2022) 이 기사 인용

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메탄 생성 물질과 혐기성 메탄 산화 고세균(ANME)은 지구 탄소 순환에서 중요한 역할을 합니다. MCR(Methyl-coenzyme M reductase)은 메탄 대사의 핵심 효소로, 메탄 생성의 마지막 단계와 혐기성 메탄 산화의 첫 단계를 촉매합니다. 최근 미배양 고세균 계통에서 다양한 mcr 및 mcr 유사 유전자가 확인되었습니다. 그러나 배양되지 않은 고세균의 MCR의 조립 및 생화학은 아직 거의 알려져 있지 않습니다. 여기에서는 메탄생성균인 Methanococcus maripaludis의 이종 발현을 통해 배양되지 않은 고세균의 MCR을 연구하는 접근 방식을 제시합니다. 프로모터, 오페론 구조 및 온도는 MCR 생산의 중요한 결정 요인이었습니다. 재조합 메탄구균과 ANME-2 MCR은 모두 호스트 MCR과 조립되어 하이브리드 복합체를 형성하는 반면, 테스트된 ANME-1 MCR과 에틸-조효소 M 환원효소는 균질한 복합체만 형성했습니다. 구조 모델링과 함께 이는 ANME-2와 메탄 생성 물질 MCR이 구조적으로 유사하며 반응 방향이 본질적인 구조적 차이보다는 열역학에 의해 규제될 가능성이 있음을 시사합니다.

메탄 생성 물질 또는 메탄 생성 고세균은 지구상에서 가장 초기의 미생물 생명체 중 하나로 간주되며1,2 혐기성 메탄 산화 고세균(ANME)과 함께 지구 탄소 순환에서 중추적인 역할을 합니다. 오늘날 메탄생성물질은 H2/CO2, 포름산염, 아세트산염, C1-메틸화 화합물3을 포함한 다양한 기질뿐만 아니라 석탄 성분4,5 및 장쇄 알칸6을 포함하여 최근 발견된 기질을 사용하여 무산소 환경에서 매년 약 10억 톤의 메탄을 생산합니다. 무산소 해양 퇴적물에서 생체 메탄의 약 90%가 역 메탄생성 경로7를 사용하여 ANME에 의해 CO2로 산화되어 메탄이 대기로 방출되는 것을 완화시키는 것으로 추정됩니다.

모든 ANME와 많은 메타노젠은 단일 종 배양으로 배양되지 않은 상태로 남아 있습니다. 환경 메타게놈 및 농축 배양을 기반으로 ANME는 생화학적 및 유전적으로 메탄생성균과 밀접하게 관련되어 있으며 메탄 형성과 반대 방향으로 혐기성 메탄 산화(AOM)를 위한 유사한 효소 세트를 공유합니다8,9,10,11. ANME는 메탄을 탄소 및 에너지원으로 사용하고 메탄에서 신트로프 황산염 감소 박테리아 파트너9,12,13 또는 질산염14, Fe(III)15,16,17 및 Mn(IV)15와 같은 무기 전자 수용체로 전자를 전달합니다. . 알려진 ANME는 단일 분류군을 구성하지 않으며 "Ca. Methanophagales"(ANME-1) 및 Methanosarcinales(ANME-2 및 ANME-3)10 목에 속합니다. Methanosarcinales 목에는 메탄 생성 물질도 포함되어 있습니다. ANME의 생리학적, 생화학적 세부 사항은 순수 배양의 부족과 농축의 느린 성장으로 인해 크게 알려지지 않은 상태로 남아 있습니다8,18.

메틸 조효소 M(CoM) 환원효소(MCR)는 혐기성 메탄 대사의 핵심 효소입니다19. 이는 메탄 생성의 마지막 CH4 형성 반응과 AOM의 첫 번째 CH4 활성화 반응을 촉매합니다. MCR 반응(반응 1)의 가역성은 Methanothermobacter marburgensis MCR20을 사용하여 실험적으로 입증되었습니다. 최근 관련 알킬-조효소 M 환원효소(ACR)가 혐기성 알칸 산화 고세균(ANKA)에 의해 단쇄 알칸(예: 에탄, 프로판 및 부탄)의 산화를 촉매하는 것으로 제안되었습니다.

MCR 복합체는 두 개의 활성 부위 각각에 Ni 함유 테트라피롤 조효소 F430 분자와 이종삼량체(αβγ)2의 이량체로 구성됩니다. 각 F430은 단백질 복합체 내에 깊이 묻혀 있으며 여러 하위 단위 McrA, A', B 및 G 또는 McrA', A, B' 및 G'26,27로 형성된 50Å 채널을 통해서만 외부에서 접근할 수 있습니다. F430의 Ni(I) 산화 상태는 활성에 필요합니다. Ni(II)/Ni(I) 쌍은 ∼600mV28 미만의 극도로 음의 산화환원 전위(Eo')를 가지므로 MCR은 산소에 매우 민감하며 ATP 의존적 환원 활성화를 위한 복잡한 효소 시스템이 필요합니다29. McrA 하위 단위에는 여러 개의 고유한 번역 후 수정(PTM)이 존재하며 MCR 안정성과 활성을 미세 조정합니다30,31,32. ANME-1 MCR33과 에틸-조효소 M 환원효소(ECR)34의 결정 구조가 해결되었지만 ANME와 ANKA 효소의 조립 및 생화학적 특성은 아직 잘 이해되지 않은 상태입니다. Methanosarcina acetivorans에서 ANME-1 MCR을 암호화하는 유전자의 이종 발현은 재조합 유기체에 의한 메탄 산화를 자극하여 이들 효소의 역할에 대한 추가 증거를 제공합니다35. 최근 Methanothermococcus okinawensis MCR은 Methanogen Methanococcus maripaludis 모델에서 이종 발현되었습니다. 여기에서 우리는 배양되지 않은 고세균에서 효소 복합체를 연구할 수 있는 길을 열어주는 M. maripaludis에서 MCR의 이종 발현을 추가로 개발했습니다.