Explorando a fixação de nitrogênio via nitrogenase alternativa em Paenibacillus sonchi SBR5T : aspectos filogenéticos e abordagem proteômica

Abstract

Biological nitrogen fixation (BNF) is one of the key steps in the biogeochemical cycle of this element. Behind this process, which constitutes one of the most important biological processes, a complex enzymatic system carries a unique (Fe7MoS9C) metal co-factor at its active site. Alternatively to the conventional enzyme, two other homologs are capable of using vanadium (V) or only iron (Fe) to replace the molybdenum (Mo) of their co-factors, the so-called V- and Fe-nitrogenases, respectively. BNF by alternative nitrogenases is less studied than its conventional counterpart, especially in Gram-positive bacteria. Paenibacillus sonchi genomovar Riograndensis SBR5T is a facultative aerobic endospore- forming bacterium, which can fix nitrogen via the conventional and the alternative Fe- nitrogenases. However, the origin, regulation, and functioning of this enzyme in this organism are poorly understood. In this work, the occurrence of Fe- nitrogenases was explored in the context of the Paenibacillaceae family, being identified in different genera. The results suggest that this system may have been acquired by an ancestral lineage of some of these genera, and that loss events and possibly horizontal transfer marked the evolutionary history of Fe-nitrogenases in this family. The pangenome of these diazotrophs was explored, highlighting important adaptive characteristics of these organisms. The proteome of P. sonchi SBR5T was analyzed under nitrogen fixation conditions in the absence of molybdenum. Several processes related to the general adaptation of this organism to these conditions were identified, as well as the operation of a possible post-transcriptional regulation mechanism of dinitrogenase, a component of conventional nitrogenase. The occurrence of PII proteins that act as signal transducers in regulatory processes of nitrogen metabolism was also explored in the Paenibacillaceae family. Homologs were found in a limited number of genomes. A distinct group of PII proteins, to which the P. sonchi SBR5T protein belongs, was identified as phylogenetically related to the NifI group, but unlike these, not being inserted in the nitrogenase gene context. These findings underscore the need for a more detailed functional characterization of this protein in this group. This work provides several insights into the origins and functioning of the alternative nitrogen fixation system in Paenibacillus, helping to expand the understanding of these processes in this important bacterial group.

A fixação de biológica de nitrogênio (FBN) é uma das etapas chave no ciclo biogeoquímico desse elemento. Por trás deste, que constitui um dos mais importantes processos biológicos, existe um complexo enzimático que carrega em seu sítio ativo um cofator metálico (Fe7MoS9C) bastante singular. Alternativamente à enzima convencional, duas outras homólogas são capazes de utilizar vanádio (V) ou apenas ferro (Fe) em substituição ao molibdênio (Mo) em seus cofatores, as ditas V- e Fe-nitrogenases, respectivamente. A FBN pelas nitrogenases alternativas é menos estudada que sua contraparte convencional, especialmente em bactérias gram-positivas. Paenibacillus sonchi genomovar Riograndensis SBR5T é uma bactéria aeróbica facultativa formadora de endósporos. Essa estirpe é capaz de fixar nitrogênio, tanto pela nitrogenase convencional como pela Fe- nitrogenase. No entanto, vários aspectos relativos à origem, regulação e funcionamento da Fe-nitrogenase nesse organismo são pouco elucidados. Nesse trabalho, a ocorrência de Fe-nitrogenases foi explorada no contexto da família Paenibacillaceae, sendo identificada em diferentes gêneros. Os resultados sugerem que esse sistema tenha sido adquirido por uma linhagem ancestral de alguns desses gêneros e que os eventos de perda e, possivelmente, de transferência horizontal marcaram a história evolutiva das Fe-nitrogenases nessa família. O pangenoma desses diazotróficos foi explorado ressaltando importantes características adaptativas desses organismos. O proteoma de P. sonchi SBR5T foi analisado em condições de fixação de nitrogênio sob ausência de molibdênio. Diversos processos relacionados à adaptação geral desse organismo a essas condições foram identificados, bem como a atuação de um possível mecanismo de regulação pós-transcricional da dinitrogenase, componente da nitrogenase convencional. A ocorrência de proteínas PII, que atuam como transdutores de sinais em processos regulatórios do metabolismo do nitrogênio, também foi explorada na família Paenibacillaceae. Homólogos foram encontrados em um número limitado de genomas. Um grupo distinto de proteínas PII, ao qual se insere a proteína de P. sonchi SBR5T , foi identificado, estando filogeneticamente relacionado ao grupo NifI; porém, diferentemente dessas, não estando inserido no contexto gênico de nitrogenases. Esses resultados reascendem a necessidade de uma caracterização funcional mais detalhada dessa proteína nesse grupo bacteriano. Esse trabalho traz várias elucidações acerca das origens e funcionamento do sistema alternativo de fixação de nitrogênio em Paenibacillus, ajudando a expandir o entendimento desse processo nesse importante gênero.