Пульхерриминовая кислота модулирует доступность железа и защищает от окислительного стресса во время микробных взаимодействий.

Sep 25, 2023

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2536 (2023) Цитировать эту статью

3347 Доступов

28 Альтметрика

Подробности о метриках

Сидерофоры представляют собой растворимые или встроенные в мембрану молекулы, которые связывают окисленную форму железа Fe (III) и играют роль в усвоении железа микроорганизмами. Сидерофоры, связанные с Fe(III), связываются со специфическими рецепторами, которые позволяют микробам усваивать железо. Однако некоторые почвенные микробы выделяют соединение (пульчерриминовая кислота, PA), которое при связывании с Fe(III) образует осадок (пульчерримин), который, по-видимому, действует за счет снижения доступности железа, а не содействия усвоению железа. Здесь мы используем Bacillus subtilis (производитель PA) и Pseudomonas protegens в качестве модели конкуренции, чтобы показать, что PA участвует в своеобразной системе управления железом. Присутствие конкурента индуцирует выработку ПА, что приводит к осаждению Fe(III) в виде пульчерримина, который предотвращает окислительный стресс у B. subtilis путем ограничения реакции Фентона и образования вредных АФК. Кроме того, B. subtilis использует свой известный сидерофор бациллибактин для извлечения Fe (III) из пульчерримина. Наши результаты показывают, что PA играет множество ролей, модулируя доступность железа и обеспечивая защиту от окислительного стресса во время межвидовой конкуренции.

Железо (Fe) — важнейший металл, необходимый в высоких концентрациях клеткам для выживания и роста большинства живых организмов на Земле. Несмотря на то, что его много в почве, его растворимость и, следовательно, его биодоступность очень низки при околонейтральном pH (около 10–10 М)1. Чтобы решить эту загадку высокого спроса, но низкого предложения, почвенные бактерии производят сидерофоры – низкомолекулярные соединения с высоким сродством к Fe(III)2. Специфические транспортные системы позволяют Fe захватываться клетками и использоваться в различных клеточных путях и белках3,4,5. Почвенные микроорганизмы часто конкурируют за Fe и разработали механизмы, позволяющие максимизировать поглощение Fe, включая производство множества сидерофоров с различным сродством к Fe и экспрессию различных рецепторов на поверхности клеток, способных связывать сидерофоры, иногда включая ксеносидерофоры6,7,8 ,9. В межвидовой конкуренции секреция сидерофора может обеспечить преимущество в росте за счет быстрой монополизации Fe10. Однако секвестрация Fe сидерофорами может быть обоюдоострым мечом, поскольку конкуренты также могут их обмануть, таким образом приобретая Fe без разделения метаболических затрат на биосинтез сидерофоров9,11.

Используя один и тот же путь синтеза, B. subtilis продуцирует два сидерофора: 2,3-дигидроксибензойную кислоту с относительно слабым сродством к связыванию (DHB; одна катехиновая функция) и бациллибактин с сильным сродством к связыванию (BB; три катехиновые функции)12. Пульчерриминовая кислота (PA), еще одна молекула, хелатирующая железо, продуцируемая дрожжами и многими бактериями, включая B. subtilis13,14,15, содержит две гидроксаматные группы и образует красный нерастворимый комплекс пульчерримина при связывании Fe(III)15,16,17. Недавно было показано, что внеклеточное накопление пульчерримина (PA-Fe) ограничивает расширение биопленки, и было высказано предположение, что PA действует как межклеточный сигнал, запускающий переход от экспоненциальной к стационарной фазе у B. subtilis14,18. Пульчерримин был впервые описан у небольшой группы дрожжей, включая Candida spp. и Kluyveromyces spp.15,19. Было показано, что в этих организмах продукция ПА обладает антагонистической активностью, вероятно, за счет истощения запасов железа20. Было высказано предположение, что у Kluyveromyces Lactis PA может действовать как сидерофор, что является противоречивой идеей, поскольку комплекс пульчерримина нерастворим и, по-видимому, не является биодоступным источником Fe19,21. Действительно, почти все предыдущие исследования на дрожжах и бациллах предполагают, что PA необратимо связывает Fe(III) и, таким образом, не играет роли в приобретении Fe.

Другим важным аспектом гомеостаза Fe у B. subtilis является образование биопленки. Ранее мы показали, что как матрица биопленки, так и производство сидерофоров необходимы организму для получения Fe из осажденных оксидов22 и что связанное с биопленкой Fe может использоваться в качестве локального источника Fe23. Другое исследование продемонстрировало важность Fe(III) в глубоком слое биопленки, служащего терминальным акцептором электронов в отсутствие кислорода24. Таким образом, связанное с биопленками железо имеет важное значение для функционирования биопленок, а также для роста клеток. Сидерофоры и образование биопленок способствуют приобретению Fe и гомеостазу у бактерий, образующих биопленки22,25. Однако мало что известно об экологических преимуществах секреции преципитирующих лигандов, таких как PA, в контексте микробной конкуренции и о судьбе Fe, когда-то образующего комплекс с PA.