Estruturas bacterianas retangulares anteriormente não caracterizadas na boca do golfinho

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 2098 (2023) Citar este artigo

4218 Acessos

36 Altmétrica

Detalhes das métricas

Ainda há muito a ser explorado em relação à diversidade de micróbios não cultivados e associados ao hospedeiro. Aqui, descrevemos estruturas bacterianas retangulares (RBSs) na boca de golfinhos nariz-de-garrafa. A coloração do DNA revelou múltiplas bandas pareadas dentro das RBSs, sugerindo a presença de células se dividindo ao longo do eixo longitudinal. A microscopia eletrônica de transmissão criogênica e a tomografia mostraram segmentos paralelos ligados à membrana que provavelmente são células, encapsuladas por uma cobertura de superfície periódica semelhante à camada S. RBSs exibiam apêndices semelhantes a pilus incomuns com feixes de fios espalhados nas pontas. Apresentamos várias linhas de evidência, incluindo sequenciamento de DNA genômico de RBSs micromanipulados, sequenciamento do gene 16S rRNA e hibridização fluorescente in situ, sugerindo que os RBSs são bacterianos e distintos dos gêneros Simonsiella e Conchiformibius (família Neisseriaceae), com os quais compartilham morfologia semelhante e padronização da divisão. Nossas descobertas destacam a diversidade de novas formas microbianas e estilos de vida que aguardam caracterização usando ferramentas complementares à genômica, como a microscopia.

As primeiras descrições do mundo microbiano giravam em torno da morfologia e dos padrões de motilidade dos "animalcules"1. Nos séculos desde a descoberta revolucionária de van Leeuwenhoek, uma vasta diversidade de formas microbianas foi descrita, variando de bactérias em forma de estrela no gênero Stella2,3 aos corpos de frutificação multicelulares característicos da ordem Myxobacterales4,5. A morfologia é uma característica biologicamente importante, muitas vezes altamente conservada e moldada ao longo do tempo por pressões seletivas resultantes do estilo de vida de um organismo e do contexto ambiental6. De fato, a morfologia celular desempenha um papel importante na motilidade, aquisição de nutrientes, divisão celular e interações com outras células, incluindo simbiose com hospedeiros, todos os quais são fortes determinantes da sobrevivência7. Como tal, os estudos morfológicos e estruturais oferecem uma via atraente para obter informações sobre as formas de vida microbiana e os mecanismos pelos quais as espécies funcionam e afetam seus ambientes. Além disso, caracterizar as estruturas e funções de diversos micróbios em ramos desconhecidos da árvore da vida oferece uma oportunidade para ampliar nossa compreensão da evolução e pode resultar em inúmeras aplicações em biotecnologia e medicina, exemplificadas pelo desenvolvimento da optogenética8 e CRISPR- edição genética baseada9.

A genômica serve como uma lente poderosa para descrever o mundo microbiano. Nos últimos anos, análises metagenômicas e genômicas de células únicas aumentaram substancialmente o número de linhagens microbianas conhecidas em nível de filo por um fator de quase quatro no domínio bacteriano10,11,12,13. O sequenciamento dos genomas de organismos recém-descobertos levou à descoberta de novos sistemas funcionais, tipos de variantes de proteínas e estilos de vida11,14,15,16,17, ilustrando a correlação entre diversidade filogenética e potencial funcional18. No entanto, a aplicabilidade de tais abordagens é principalmente limitada a proteínas e sistemas reguladores homólogos aos de organismos bem caracterizados; a predição de fenótipos e funções verdadeiramente novos e/ou cuja base genética é desconhecida geralmente requer conhecimentos complementares. Dada a resistência da maioria das espécies microbianas na Terra à cultura de laboratório (em 2016, 72% das linhagens de aproximadamente nível de filo não tinham nenhum representante cultivado)19, métodos que não requerem isolados cultivados, como microscopia, oferecem uma rota complementar atraente por que estudar novas propriedades morfológicas e funcionais de linhagens não cultivadas. Por exemplo, avanços recentes em microscopia eletrônica criogênica (cryoEM) e tomografia (cryoET) permitiram imagens tridimensionais (3D) de células bacterianas intactas com uma resolução de alguns nanômetros20, levando a avanços importantes na descoberta e caracterização de novos microrganismos estruturas21,22. Atualmente, nosso conhecimento de biologia celular tem sido amplamente limitado à observação e experimentação de bactérias que podem ser cultivadas e, portanto, existe um viés severo em nossa compreensão em relação a organismos propícios ao crescimento em condições de laboratório. O uso de microscopia e técnicas não baseadas em sequenciamento para estudar "a maioria não cultivada" será essencial para caracterizar toda a diversidade de estilos de vida bacterianos que evoluíram, particularmente esforços para caracterizar bactérias em ambientes relativamente não estudados, como a cavidade oral de roazes golfinhos (Tursiops truncatus), que abrigam uma rica coleção de novos micróbios e potencial funcional16,23.

0% and <1%, red: 0%. The negative-control panel (Neg) presents the same information for each of the samples that did not appear to contain RBS-As. Criteria for gauging the likelihood of a bin deriving from the RBS-As are shown: (Genomics) Was the bin ever present in negative controls (green = no, yellow = yes but never ≥1% relative abundance, orange = yes but never ≥5%, red = yes and at least once ≥5%)? (Gram stain) Are members of this taxonomic group known to be Gram-negative, like the RBSs? (16S 75%+) Of ASVs detected in >75% of samples that underwent 16S rRNA gene amplicon sequencing and were visually confirmed to contain >10 RBS-As (n = 13), was an ASV of this taxonomic identity? Numbers in boxes indicate the number of samples in which this ASV was present. For recovered bins detected only to the level of class Gammaproteobacteria, a large and diverse group, this criterion is marked in yellow and ASV counts are not shown. (FISH) Based on FISH results, which bins are supported as potential candidates for the RBS-As? A cross (†) denotes that members of the phylum Gracilibacteria are inferred not to be Gram-negative from genomic studies (although they are not necessarily Gram-positive)92. The highest likelihood candidates are green for all three criteria./p>

500–600 nm thick), low signal-to-noise ratio of the tomograms, and limiting characteristics of the features in question, such as the variable curvature of the regions with stretches of continuous periodic surface covering. Successful subtomogram averaging typically relies on averaging identical structures, for example, repeated copies of a macromolecular complex, such as ribosomes in the same functional state. One can compensate for structural variability in the form of conformational and compositional heterogeneity with large datasets composed of thousands of subtomograms in combination with advanced classification methods. However, in our datasets, both the pilus-like appendages (Fig. 7a–c) and the S-layer-like surface feature (Fig. 7a, d, e) were structurally heterogenous and sparsely distributed in the RBS-As (e.g., the S-layer-like surface feature is not continuous along the entire membrane of the RBS-As, and in the stretches where it is, it exhibits differential curvature) and thus were observed only in a fraction of our tomograms./p>

3% gaps or rows with <50% sequence were removed. rpS3 protein sequences were aligned using Clustal Omega85,86 v. 1.2.4 and columns containing >5% gaps or rows with <50% sequence were removed. Both phylogenies were inferred using PhyML87 v. 3.1 with 1000 bootstrap replicates, with model selection performed using smart model selection88 (GTR+R for the 16S rRNA gene and Q.yeast+G+I for the rpS3 protein). Trees were visualized using iTOL89 v. 6./p>