解读人：范徉，Methylome and Metabolome Analyses Reveal Adaptive Mechanisms in Geobacter sulfurreducens Grow

Posted 2021-02-15 ilifeiscience

一、 概述：

Geobacter sulfurreducens乃一种能量代谢方式为化能异养的厌氧格兰仕阴性细菌，它在无氧条件下通过TCA循环消耗有机物产生电子，以高价铁化合物为电子受体完成电子转移。该研究使用三代测序技术（SMRT）测定了生长在3种包含不同电子受体的培养基，柠檬酸铁，水合氧化铁和延胡索酸中的Geobacter sulfurreducens的甲基化组学。该研究还利用GC-MS分析了3种生长条件下的Geobacter sulfurreducens的代谢组学，并在最后测定了3种生长条件下的Geobacter sulfurreducens的氧化压力。从这些结果的分析中作者对3种生长条件下Geobacter sulfurreducens的适应机制进行了推断。

二、 研究背景：

Geobacter sulfurreducens是一种生长于无氧条件下的化能异养的细菌，该菌于上世纪80年代被发现，是一种有着完善基因组信息的模式生物。前人研究发现对于化能异养的细菌，6-甲腺苷和4-甲胞苷是两种重要的DNA修饰，其修饰模式在培养条件发生变化时会改变。目前正需要一个研究来揭示Geobacter sulfurreducens中两种基因组甲基化在特定培养条件下的特征及其对细菌基因表达和代谢功能的影响。

三、实验设计：

 

四、研究成果：

1、三代测序（SMRT）结果显示4-甲胞苷（下图左）在水合氧化铁（HFO）生境下的Geobacter sulfurreducens中的规模要明显大于柠檬酸铁和延胡索酸生境的。而延胡索酸生境下的Geobacter sulfurreducens中的6-甲腺苷（下图右）要多余另外两种生境的。

 

2、在79个与3种电子受体有关的基因甲基化及其表达量的关联分析中可发现，在柠檬酸铁和水合氧化铁生境的对比以及水合氧化铁和延胡索酸生境的对比中，大多数基因的甲基化与该基因表达量有着负相关，而在柠檬酸铁和延胡索酸生境的对比中只有约60%的基因的甲基化与该基因表达量有着负相关。上述结果在基因体和基因间区的甲基化上都如一。

 

3、GC-MS测到的代谢物丰度模式能够在PCA中将三种电子受体生境的Geobacter sulfurreducens区分开。其中草酸，棕榈酸，角鲨烯，辛酸，癸酸，棕榈酸单甘油酯和十五酸的丰度在水合氧化铁中生长的Geobacter sulfurreducens中显著高于延胡索酸的，而葡糖-6-磷酸，果糖-6-磷酸和反丁烯二酸在柠檬酸铁和水合氧化铁生境的Geobacter sulfurreducens中显著低于延胡索酸的。

 

4、通过酶活测定，该研究发现超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽还原酶（GR）在生长于水合氧化铁中的Geobacter sulfurreducens的活性显著高于柠檬酸铁的和延胡索酸的。而且谷胱甘肽还原酶在生长于柠檬酸铁中的Geobacter sulfurreducens的活性显著高于延胡索酸的。

 

 

文章亮点：

Geobacter sulfurreducens的化能异养的代谢模式将碳源中的电子转移到电子受体上，加之该菌被发现具有良好的导电性，该菌已被用于生物电池的制造，开始为欠发达地区提供能源。本文对于Geobacter sulfurreducens在不同电子受体上的生长做了甲基化基因组和代谢组的全面分析，为该菌的基因工程和养殖条件优化等利用性研究提供了分子机制的指导。华大基因秉持基因科技造福人类的理念，在发现自然界的基因，物种，代谢功能的多样性并用于改善人类的生活环境的实践中注意到了Geobacter sulfurreducens的潜力，若使用基因组编辑技术提高了该菌的繁殖和代谢速度，改善该菌对于不同电子受体的适应性，将促成高性能生物电池的发展，为人类社会的可持续发展打开一扇门。