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ArrayJet芯片点样仪推动海洋藻类多糖代谢研究

 

海洋微藻承担着全球一半的二氧化碳固定任务,与此同时,他们还为拟杆菌(Bacteroidetes)等海洋微生物提供有机底物。在这个过程中,拟杆菌应用碳水化合物活性酶 (Carbohydrate-active enzymes, CAZymes)降解藻类多糖,使之成为能够被其吸收利用的物质和能量来源,因此,其介导的藻类聚糖降解利用是海洋食物链有机质循环的重要环节。在Bacteroidetes的基因组中,编码Cazyme的基因区域称为多糖利用区 (Polysaccharide utilization loci, PULs)。目前虽然有一些研究关注PULs降解藻类多糖的过程,但是在海洋微生物中PULs的底物特异性及其降解藻类多糖的分子机制还并不清楚。

 

 

该文章于2022年11月发表在The ISME Journal杂志,作者来自于德国不来梅大学海洋环境科学研究中。多糖是参与海洋碳循环的一类含量丰富的生物大分子,不同形式的单糖通过糖苷键进行连接,形成了多糖的分子多样性。为了从多糖中获取能量和物质,微生物使用CAZymes对多糖的糖苷键和化学基团进行分解并加以利用。在此基础上,根据CAZymes的序列、折叠方式以及底物特异性主要分为糖苷类水解酶(GHs)和碳水化合物酯酶(CEs)。

 

多糖β-甘露聚糖(β-mannan)在陆生植物中较为常见,但在海洋微藻中还知之甚少。有研究表明拟杆菌是陆地生态系统的多糖降解剂,特别是在人类的肠道中降解β-mannan,但其在海洋藻类生物中的作用还有待研究。在此背景下,作者在海洋拟杆菌基因组中发现了一个具有β-甘露聚糖多糖利用位点的基因:mar_2010_75。为了验证该基因的功能,作者采用表位缺失微阵列技术来证实这一假设。具体方法是利用英国ArrayJet点样仪将不同藻类的植物多糖点印在硝酸纤维素膜上与并与携带mar_2010_75的PULs进行反应。结果显示PULs编码的GH27和GH5_26蛋白具有α-1,6-半乳糖酶和β-1,4-葡聚糖酶活性,表明其底物是半乳甘露聚糖,且β-甘露聚糖PULs受到半乳甘露聚糖的激活。因此判断PULs可编码具有活性的甘露聚糖酶、葡聚糖酶和半乳糖酶(图1)。

 

图1.A:从不同种类的硅藻中提取多糖,并将其点印到硝酸纤维素膜上,纵轴是不同种类的硅藻样本,横轴是GH26C,GH5_26,对照buffer,甘露聚糖酶,葡萄糖酶,半乳糖淀粉酶,进行反应,检测采用特异性识别β-1、4-甘露聚糖的探针LM21和特异性识别β-1、3/1、4-葡聚糖的探针BS-400-3;B:2016年自微藻开花期间进行采样并将其溶解在高分子量溶解有机物(HMWDOM)中进行多糖提取并点样,采用GH26A,GH26B,对照buffer,甘露聚糖酶进行反应,检测采用特异性识别β-1、4-甘露聚糖的探针LM21。热图中的数值对应于至少两个重复实验的平均信号强度(每个提取物由每个阵列中的至少两个点表示)。每个数据集中的最高平均信号被设置为100,所有其他值都相应地进行归一化统计。 结果表明不同的硅藻分离物中含有β-甘露聚糖和β-葡聚糖。

 

结合其他实验结果,作者发现了一种β-甘露聚糖PULs——mar_2010_75,可以被看作是海洋细菌靶向含β-甘露聚糖底物的一个模型。这种降解机制部分与肠道细菌相似,但也有显著的差异,如编码的GH5_26蛋白参与其中。这种不同物种间的聚糖酶链式反应特异性的揭示了碳循环在初级生产者和次级消费者之间的联系。

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41396-022-01342-4

 

Arrayjet位于英国爱丁堡,专注于提供生物芯片应用领域的解决方案及服务。自2000年公司成立即致力于开发新型生物样品喷点方案–喷墨式液体处理平台,该系统于2006年上市,目前用户遍布全球27个国家。

 

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