مطالعه ژنوم آنزيم هاي كربنيك آنهيدراز α, β و γ موجود در ميكروبيوم گرمادوست درمحيط هاي هيدروترمال ونت دريايي

Genome study of α-, β-, and γ-carbonic anhydrases from the thermophilic microbiome of marine hydrothermal

كربنيك انيدرازها (CAs) متالوآنزيم هايي هستند كه مي توانند با هيدراته كردن دي اكسيد كربن به بقاي ارگانيسم ها در دريچه هاي گرمابي كمك كنند. در اين مطالعه، ما روي كربنيك انهيدراز هاي آلفا (α)، بتا (β) و گاما (γ) CA موجود در ميكروبيوم گرما دوست دريچه‌هاي هيدروترمال دريايي تمركز مي‌كنيم. ژن‌هاي كدكننده اين آنزيم‌ها مي‌توانند از طريق انتقال افقي ژن، كه يك ابزار مهم در تنوع زيستي طبيعي هستند، بين موجودات دريچه گرمابي منتقل گردند. ما مطالعات داده‌كاوي و بيوانفورماتيك را روي ژن‌هاي كدكننده α-، β- و γ-CA از ميكروبيوم گرما دوست دريچه‌هاي گرمابي دريايي انجام داديم. نتايج نشان داد كه رابطه تكاملي معقولي بين α-، β- و γ-CAهاي پايدار در برابر گرما در جمعيت ميكروبي دريچه‌هاي گرمابي وجود دارد. اين رابطه مي تواند به دليل انتقال افقي ژن باشد. ما شواهدي از انتقال افقي ژن كربنيك انهيدراز آلفا و بتا بين Cycloclasticus sp كه‌همزيست Bathymodiolus heckerae است و همزيست دروني Riftia pachyptila از طريق اينتگرون مشاهده‌شد. همچنين، انتقال افقي ژن كربنيك انهيدراز بتا از همزيست دروني Tevnia jerichonana به‌همزيست دروني Riftia pachyptila و بالعكس، بسيار محتمل است. علاوه‌ بر آن Hydrogenovibrio crunogenus SP-41 ، روي جزاير ژني خود، يك ژن كربنيك انهيدراز بتا دارد كه‌اين ژن مي‌تواند به ‌Hydrogenovibrio sp. MA2-6،. همزيست دروني متانوتروفيك Bathymodiolus azoricus و همزيست دروني متانوتروفيك Bathymodiolus puteoserpentis منتقل شود. به عنوان يك همزيستي از B. heckerae، از طريق HGT، تئوري نياز به آنزيم هاي CA پايدار در برابر حرارت براي بقا در اكوسيستم شديد دريچه هاي گرمابي پيشنهاد شده است و به حفظ تنوع طبيعي ميكروبيوم در دريچه هاي گرمابي كمك مي كند. اين اكوسيستم هاي خشن، با بازيگران جدايي ناپذير خود، مانند انتقال افقي ژن و درون همزيست ها، به طور قابل توجهي بر غني سازي حيات روي زمين و چرخه كربن در اقيانوس تاثير مي گذارند.

Carbonic anhydrases (CAs) are metalloenzymes that can help organisms survive in hydrother-mal vents by hydrating carbon dioxide. In this study, we focus on alpha (α), beta (β), and gamma (γ) CAs, which are present in the thermophilic microbiome of marine hydrothermal vents. The coding genes of these enzymes can be transferred between hydrothermal-vent organisms via horizontal gene transfer (HGT), which is an important tool in natural biodiversity. We performed big data mining and bioinformatics studies on α-, β-, and γ-CA coding genes from the thermophilic microbiome of marine hydrothermal vents. The results showed a reasonable association between thermostable α-, β-, and γ-CAs in the microbial population of the hydrothermal vents. This relationship could be due to HGT. We found evidence of HGT of α- and β-CAs between Cycloclasticus sp., a symbiont of Bathymodiolus heckerae, and an endosymbiont of Riftia pachyptila via Integrons. Conversely, HGT of β-CA genes from the endosymbiont Tevnia jeri-chonana to the endosymbiont Riftia pachyptila was detected. In addition, Hydrogenovibrio crunogenus SP-41 contains a β-CA gene on genomic islands (GIs). This gene can be transferred by HGT to Hydrogenovibrio sp. MA2-6, a methanotrophic endosymbiont of Bathymodiolus azoricus, and a methanotrophic endosymbiont of Bathymodiolus puteoserpentis. The endosymbiont of R. pachyptila has a γ-CA gene in the genome. If α- and β-CA coding genes have been derived from other microorganisms, such as endosymbionts of T. jerichonana and Cycloclasticus sp. as the endosymbiont of B. heckerae, through HGT, the theory of the necessity of thermostable CA enzymes for survival in the extreme ecosystem of hydrothermal vents is suggested and helps the conservation of microbiome natural diversity in hydrothermal vents. These harsh ecosystems, with their integral players, such as HGT and endosymbionts, significantly impact the enrichment of life on Earth and the carbon cycle in the ocean.