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Halophilic archaea cultivated from surface sterilized middle-late Eocene rock salt are polyploid
(2014)
Live bacteria and archaea have been isolated from several rock salt deposits of up to hundreds of millions of years of age from all around the world. A key factor affecting their longevity is the ability to keep their genomic DNA intact, for which efficient repair mechanisms are needed. Polyploid microbes are known to have an increased resistance towards mutations and DNA damage, and it has been suggested that microbes from deeply buried rock salt would carry several copies of their genomes. Here, cultivable halophilic microbes were isolated from a surface sterilized middle-late Eocene (38–41 million years ago) rock salt sample, drilled from the depth of 800 m at Yunying salt mine, China. Eight unique isolates were obtained, which represented two haloarchaeal genera, Halobacterium and Halolamina. We used real-time PCR to show that our isolates are polyploid, with genome copy numbers of 11–14 genomes per cell in exponential growth phase. The ploidy level was slightly downregulated in stationary growth phase, but the cells still had an average genome copy number of 6–8. The polyploidy of halophilic archaea living in ancient rock salt might be a factor explaining how these organisms are able to overcome the challenge of prolonged survival during their entombment.
The lung comprises more than 40 different cell types, from epithelial cells to resident mesenchymal cells. These cells arise from the foregut endoderm and differentiate into specialized cell types that form the respiratory and conducting airways, and the trachea. However, the molecular pathways underlying these differentiation processes are poorly understood, and may be relevant to pathological conditions. According to the World Health Organization (WHO), while the respiratory disease rate is increasing, limited treatment and therapies are available. Thus, there is a growing need for new treatment strategies and alternative therapies. Various in vivo and in vitro studies in the model organism mus musculus have already provided valuable information on lung cell lineages and their differentiation and/ or dedifferentiation during development and pathological conditions. However, there remain many questions regarding the key regulators and molecular machinery driving lung cell differentiation and underlying lung progenitor/stem cell biology.
Aiming to develop new animal models for lung diseases, we used a forward genetic careening approach, which provides an unbiased method for identifying genes with important roles in lung cell differentiation, and thus probable contributors to pathological conditions. We conducted an N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) mutagenesis screen in mice and used several histological and immunohistochemical approaches to identify and isolate mutants, focusing on mutations associated with cell differentiation rather than those affecting early development and patterning of the respiratory system. Thus, we screened for phenotypes in the respiratory system of pups from the F2 generation at postnatal day 7 and 0 (P7; P0). I specifically screened 114 families. Each F1 male animal is the founder of 5 to 6 F2 female daughters. For each family, at least 4 F2 females per male founder were analyzed. In total, I screened 630 litters at P7 and P0 with 7 pups on average for each litter. As a result of this extensive screening, 11 different phenotypes in 42 different F2s were discovered at primary screen and later just 2 phenotypes recovered in F3 generation of identified carriers. To identify the causative genes for each of these phenotypes, whole exome sequencing will be conducted in the future to identify recurring SNPs; these can subsequently be linked causatively to the resultant phenotype(s) via complementation studies. In turn, these linkages would enable the creation of mutant mice using CRISPR/Cas9 genomic engineering, which would be invaluable to the further study of respiratory development and disease.
Die Schleiereule (Tyto alba) ist eine in fast allen Regionen der Erde vorkommende Eulenart. In Mitteleuropa erreicht sie die nördlichste Grenze ihres Verbreitungsgebiets. Man trifft sie hier in tiefergelegenen, waldarmen Gegenden an. Eine Arbeitsgruppe der Hessischen Gesellschaft für Ornithologie und Naturschutz (HGON) und des Deutschen Bund für Vogelschutz (DBV) führt im hessischen Main-Kinzig-Kreis seit 1976 Maßnahmen zum Schutz der Schleiereulen durch. Dazu gehören das Anbringen von Brutkisten an geeigneten Stellen und Winterfütterungsversuche. Die Brutkisten wurden jedes Jahr kontrolliert und die sich darin befindenden Jungvögel beringt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Darstellung von Ergebnissen der Untersuchungen aus den zurückliegenden 12 Jahren. Dabei wird das Hauptaugenmerk einamal auf die Brutbiologie der Schleiereule und zum anderen auf die Disnigration der jungen Eulen gelegt.
Einige Vogelarten verstecken im Herbst Samen, um die Samenverstecke im darauffolgenden Winter wieder auszubeuten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich der Kiefernhäher (Nucifraga columbiana), der Eichelhäher (Garrulus glandarius) und die Sumpfmeise (Parus palustris) beim Schaffen und Ausbeuten ihrer Wintervorräte orientieren. Bei den beiden Häherarten sollte herausgefunden werden, ob der Sonnenkompaß eine Rolle bei der Orientierung spielt, wie schon bei dem Buschblauhäher (WILTSCHKO & BALDA 1989) gezeigt werden konnte. Bei den Sumpfmeisen wurde zum einen untersucht, ob eine experimentelle Veränderung des Erdmagnetfeldes eine Rolle bei der Orientierung spielt. Weiterhin wurde untersucht, ob eine Veränderung der Position von zwei starken Scheinwerfern eine Rolle bei der Orientierung der Meisen spielt. Die Versuche mit Kiefernhähern wurden in Flagstaff (Arizona), die mit Eichelhähern und Sumpfmeisen in Frankfurt am Main durchgeführt. Die Versuche mit Kiefernhähern und Eichelhähern fanden in gleichartigen Volieren unter der natürlichen Sonne statt. Die Vögel durchliefen eine Serie von klassischen Zeitumstellungsversuchen. Die Kiefernhäher wurden darüber hinaus unter verschiedenen Licht- und Schattenverhältnissen getestet. Die Sumpfmeisen wurden in einem Versuchskäfig in einer Holzhütte unter Kunstlichtbedingungen getestet. In einer Versuchsserie wurde die Horizontalkomponete des den Versuchskäfig umgebenden Erdmagnetfeldes um 120° gedreht. In einer weiteren Versuchsserie wurde mit zwei Halogenscheinwerfern gearbeitet, deren Position während der Versuche verändert wurde. Es konnte gezeigt werden, daß sowohl beim Kiefernhäher als auch beim Eichelhäher die Sonne eine entscheidende Rolle bei der Orientierung beim Samenverstecken und der Samensuche spielt. Bei beiden Corvidenarten ist die Sonne hier in einem redundanten, multifaktoriellen System eingebunden wie es auch schon für Zugvögel und Brieftauben nachgewiesen werden konnte. Es gibt Anzeichen dafür, daß Kiefernhäher, die den Tageslauf der Sonne länger nicht mehr mitverfolgen konnten, den Sonnenkompaß erst wieder erlernen müssen. Es konnte gezeigt werden, daß die Genauigkeit, mit der die Kiefernhäher ihre versteckten Samen finden, in mehreren, aufeinander folgenden Versuchen abnimmt. Kiefernhäher besitzen ein komplizierteres Orientierungssystem als der in der Vorstudie (WILTSCHKO & BALDA 1989) untersuchte Buschblauhäher, da sie auch ökologisch mehr auf die versteckten Samen angewiesen sind, als die Buschblauhäher. Desweiteren konnte gezeigt werden, daß Eichelhäher in der Lage sind, die Position von Orten, die ihnen in einer Trainigsphase antrainiert wurde, auch nach einer versuchsfreien Phase von drei Monaten fehlerfrei wiederzufinden. Bei Sumpfmeisen konnte gezeigt werden, daß sie in der Lage sind, sich nichtvisuell zu orientieren. Ob das Erdmagnetfeld hierbei eine Rolle spielt, konnte weder bestätigt noch ausgeschlossen werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Position der Halogenscheinwerfer bei der Orientierung der Sumpfmeisen während der Samensuche eine Rolle spielt. Es gelang in dieser Arbeit, die Hypothese zu bestätigen, daß Vögel Kompaßmechanismen nicht nur zur Orientierung während des Vogelzuges oder dem Rückflug zum Nest sondern auch in ihrem unmittelbaren Umgebungsbereich benutzen.
Wiederfang von zwei Sumpfmeisen (Parus palustris) nach einer Serie von Orientierungsversuchen
(1989)
We controlled two Marsh Tits in mist nets after they have been in orientation experiments for several weeks and released at the site of capture. One was controlled 1 1/2 years after the tests. There does not seem to be any impact of the experiments on the ability to survive well.
Orthologs document the evolution of genes and metabolic capacities encoded in extant and ancient genomes. Orthologous genes that are detected across the full diversity of contemporary life allow reconstructing the gene set of LUCA, the last universal common ancestor. These genes presumably represent the functional repertoire common to – and necessary for – all living organisms. Design of artificial life has the potential to test this. Recently, a minimal gene (MG) set for a self-replicating cell was determined experimentally, and a surprisingly high number of genes have unknown functions and are not represented in LUCA. However, as similarity between orthologs decays with time, it becomes insufficient to infer common ancestry, leaving ancient gene set reconstructions incomplete and distorted to an unknown extent. Here we introduce the evolutionary traceability, together with the software protTrace, that quantifies, for each protein, the evolutionary distance beyond which the sensitivity of the ortholog search becomes limiting. We show that the LUCA set comprises only high-traceable proteins most of which have catalytic functions. We further show that proteins in the MG set lacking orthologs outside bacteria mostly have low traceability, leaving open whether their eukaryotic orthologs have just been overlooked. On the example of REC8, a protein essential for chromosome cohesion, we demonstrate how a traceability-informed adjustment of the search sensitivity identifies hitherto missed orthologs in the fast-evolving microsporidia. Taken together, the evolutionary traceability helps to differentiate between true absence and non-detection of orthologs, and thus improves our understanding about the evolutionary conservation of functional protein networks.
Orthologs document the evolution of genes and metabolic capacities encoded in extant and ancient genomes. However, the similarity between orthologs decays with time, and ultimately it becomes insufficient to infer common ancestry. This leaves ancient gene set reconstructions incomplete and distorted to an unknown extent. Here we introduce the "evolutionary traceability" as a measure that quantifies, for each protein, the evolutionary distance beyond which the sensitivity of the ortholog search becomes limiting. Using yeast, we show that genes that were thought to date back to the last universal common ancestor are of high traceability. Their functions mostly involve catalysis, ion transport, and ribonucleoprotein complex assembly. In turn, the fraction of yeast genes whose traceability is not sufficient to infer their presence in last universal common ancestor is enriched for regulatory functions. Computing the traceabilities of genes that have been experimentally characterized as being essential for a self-replicating cell reveals that many of the genes that lack orthologs outside bacteria have low traceability. This leaves open whether their orthologs in the eukaryotic and archaeal domains have been overlooked. Looking at the example of REC8, a protein essential for chromosome cohesion, we demonstrate how a traceability-informed adjustment of the search sensitivity identifies hitherto missed orthologs in the fast-evolving microsporidia. Taken together, the evolutionary traceability helps to differentiate between true absence and nondetection of orthologs, and thus improves our understanding about the evolutionary conservation of functional protein networks. "protTrace," a software tool for computing evolutionary traceability, is freely available at https://github.com/BIONF/protTrace.git; last accessed February 10, 2019.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
The hydrogen-dependent carbon dioxide reductase is a soluble enzyme complex that directly utilizes hydrogen (H2) for the reduction of carbon dioxide (CO2) to formate in the first step of the acetyl-coenzyme A- or Wood-Ljungdahl pathway (WLP). HDCR consists of 2 catalytic subunits, a hydrogenase and a formate dehydrogenase (FDH) and two small subunits carrying iron-sulfur clusters. The enzyme complex has been purified and characterized from two acetogenic bacteria, from the mesophile Acetobacterium woodii and, recently, from the thermophile Thermoanaerobacter kivui. Physiological studies toward the importance of the HDCR for growth and formate metabolism in acetogens have not been carried out yet, due to the lack of genetic tools. Here, we deleted the genes encoding HDCR in T. kivui taking advantage of the recently developed genetic system. As expected, the deletion mutant (strain TKV_MB013) did not grow with formate as single substrate or under autotrophic conditions with H2 + CO2. Surprisingly, the strain did also not grow on any other substrate (sugars, mannitol or pyruvate), except for when formate was added. Concentrated cell suspensions quickly consumed formate in the presence of glucose only. In conclusion, HDCR provides formate which was essential for growth of the T. kivui mutant. Alternatively, extracellularly added formate served as terminal electron acceptor in addition to CO2, complementing the growth deficiency. The results show a tight coupling of multi-carbon substrate oxidation to the WLP. The metabolism in the mutant can be viewed as a coupled formate + CO2 respiration, which may be an ancient metabolic trait.
Thermoanaerobacter kivui is a thermophilic acetogen that can grow on carbon monoxide as sole carbon and energy source. To identify the gene(s) involved in CO oxidation, the genome sequence was analyzed. Two genes potentially encoding CO dehydrogenases were identified. One, cooS, potentially encodes a monofunctional CO dehydrogenase, whereas another, acsA, potentially encodes the CODH component of the CODH/ACS complex. Both genes were cloned, a His-tag encoding sequence was added, and the proteins were produced from a plasmid in T. kivui. His-AcsA copurified by affinity chromatography with AcsB, the acetyl-CoA synthase of the CO dehydrogenase/acetyl CoA synthase complex. His-CooS copurified with CooF1, a small iron-sulfur center containing protein likely involved in electron transport. Both protein complexes had CO:ferredoxin oxidoreductase as well as CO:methyl viologen oxidoreductase activity, but the activity of CooSF1 was 15-times and 231-times lower, respectively. To underline the importance of CooS, the gene was deleted in the CO-adapted strain. Interestingly, the ∆cooS deletion mutant did not grow on CO anymore. These experiments clearly demonstrated that CooS is essential for growth of T. kivui on CO. This is in line with the hypothesis that CooS is the CO-oxidizing enzyme in cells growing on CO.