풀체리민산은 철분 가용성을 조절하고 미생물 상호작용 중 산화 스트레스로부터 보호합니다.

Sep 25, 2023

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2536(2023) 이 기사 인용

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Siderophores는 산화된 형태의 철인 Fe(III)과 결합하고 미생물에 의한 철 획득에 역할을 하는 수용성 또는 막 내장 분자입니다. Fe(III) 결합 사이드로포어는 미생물이 철분을 획득할 수 있도록 하는 특정 수용체에 결합합니다. 그러나 특정 토양 미생물은 Fe(III)에 결합하면 철 획득에 기여하기보다는 철 가용성을 감소시키는 기능을 하는 침전물(풀체리민)을 형성하는 화합물(풀체리민산, PA)을 방출합니다. 여기서는 Bacillus subtilis(PA 생산자)와 Pseudomonas protegens를 경쟁 모델로 사용하여 PA가 독특한 철분 관리 시스템에 관여한다는 것을 보여줍니다. 경쟁자의 존재는 PA 생산을 유도하여 Fe(III)를 풀체리민으로 침전시켜 펜톤 반응과 유해한 ROS 형성을 제한하여 B. subtilis의 산화 스트레스를 방지합니다. 또한 B. subtilis는 알려진 siderophore bacillibactin을 사용하여 pulcherrimin에서 Fe(III)를 회수합니다. 우리의 연구 결과에 따르면 PA는 철 가용성을 조절하고 종간 경쟁 중에 산화 스트레스에 대한 보호를 제공함으로써 다양한 역할을 수행합니다.

철(Fe)은 지구상 대부분의 생명체의 생존과 성장을 위해 높은 세포 농도에 필요한 필수 금속입니다. 토양에 풍부하기는 하지만 용해도와 이에 따른 생물학적 이용 가능성은 중성 pH(약 10-10M)1에서 매우 낮습니다. 수요는 높지만 공급은 적은 이러한 난제를 해결하기 위해 토양 박테리아는 Fe(III)2에 대한 친화력이 높은 사이드로포어(siderophores), 즉 저분자량 화합물을 생산합니다. 특정 수송 시스템을 통해 Fe가 세포에 흡수되어 다양한 세포 경로와 단백질에 활용될 수 있습니다3,4,5. 토양 미생물은 종종 Fe와 경쟁하며 Fe에 대해 다양한 친화력을 갖는 다중 사이드로포어의 생산과 사이드로포어와 결합할 수 있는 세포 표면의 다양한 수용체(때때로 크세노사이드로포어 포함)의 발현을 포함하여 Fe 획득을 극대화하기 위한 메커니즘을 진화시켰습니다6,7,8 ,9. 종간 경쟁에서 사이드로포어의 분비는 빠른 Fe 독점을 통해 성장 이점을 부여할 수 있습니다. 그러나 사이드로포어에 의한 Fe 격리는 경쟁자도 이를 속일 수 있으므로 양날의 검이 될 수 있으며, 따라서 사이드로포어 생합성의 대사 비용을 공유하지 않고 Fe를 획득할 수 있습니다9,11.

동일한 합성 경로를 사용하여 B. subtilis는 상대적으로 약한 결합 친화도인 2,3-디하이드록시벤조산(DHB; 하나의 카테콜 기능)과 강한 결합 친화도인 바실리박틴(BB; 세 가지 카테콜 기능)이라는 두 개의 사이드로포어를 생성합니다12. 효모와 B. subtilis13,14,15를 포함한 많은 박테리아에 의해 생성된 또 다른 Fe 킬레이트 분자인 풀체리민산(PA)은 두 개의 하이드록사메이트 그룹을 갖고 있으며 Fe(III)15,16,17과 결합하면 빨간색 불용성 풀체리민 복합체를 형성합니다. 최근 풀체리민(PA-Fe)의 세포외 축적은 생물막 확장을 제한하는 것으로 나타났으며, PA는 B. subtilis14,18에서 기하급수적 단계에서 고정 단계로의 전환을 촉발하는 세포간 신호로 작용하는 것으로 제안되었습니다. 풀체리민(Pulcherrimin)은 Candida spp.를 포함한 소규모 효모 그룹에서 처음 기술되었습니다. 및 Kluyveromyces spp.15,19. 이들 유기체에서 PA 생산은 아마도 Fe 고갈을 통해 길항 활성을 갖는 것으로 나타났습니다. Kluyveromyces lactis에서는 PA가 사이드로포어(siderophore)로 작용할 수 있다고 제안되었는데, 이는 풀체리민 복합체가 불용성이고 명백히 생물학적으로 이용 가능한 Fe 공급원이 아니기 때문에 모순되는 생각입니다. 실제로 효모와 Bacillus에 대한 거의 모든 이전 연구에서는 PA가 Fe(III)에 비가역적으로 결합하므로 Fe 획득에 아무런 역할도 하지 않는다고 규정하고 있습니다.

B. subtilis의 Fe 항상성의 또 다른 중요한 측면은 생물막의 형성입니다. 우리는 이전에 생물막 매트릭스와 사이드로포어 생산이 유기체가 침전된 산화물로부터 Fe를 획득하는 데 필요하고 생물막 결합 Fe가 로컬 Fe 공급원으로 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 또 다른 연구에서는 산소가 없을 때 말단 전자 수용체 역할을 하는 생물막의 깊은 층에서 Fe(III)의 중요성이 입증되었습니다24. 따라서 생물막 결합 Fe는 세포 성장 외에도 생물막 기능에 필수적인 것으로 보입니다. Siderophores 및 생물막 형성은 생물막 형성 박테리아의 Fe 획득 및 항상성에 기여합니다22,25. 그러나 미생물 경쟁의 맥락에서 PA와 같은 침전 리간드를 분비하는 생태학적 이점과 PA에 복합화된 Fe의 운명에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.