Prevalence of the Calvin-Benson-Bassham cycle in chemolithoautotrophic psychrophiles and the potential for cold-adapted Rubisco
Notice bibliographique
Résumé
Abstract The act of fixing inorganic carbon into the biosphere is largely facilitated by one enzyme, Rubisco. Beyond well-studied plants and cyanobacteria, many bacteria use Rubisco for chemolithoautotrophy in extreme environments on Earth. Here, we characterized the diversity of chemolithoautotrophic Rubiscos in subzero environments. First, we surveyed subzero environments and found that the Calvin-Benson-Bassham cycle was the most prevalent chemolithoautotrophic pathway. Second, we uncovered potential for chemolithoautotrophy in metagenomes from two distinct subzero, hypersaline Arctic environments: 40-kyr relic marine brines encased within permafrost (cryopeg brines) and first-year sea ice. Again, the Calvin-Benson-Bassham cycle was the dominant chemolithoautotrophic pathway in both environments, though with different Rubisco forms. From cryopeg brine, we reconstructed four metagenome-assembled genomes with the potential for chemolithoautotrophy, of which the sulfur-oxidizing genus Thiomicrorhabdus was most abundant. A broader survey of Thiomicrorhabdus genomes from diverse environments identified a core complement of three Rubisco forms (II, IAc, IAq) with distinct patterns of gain and loss. We developed a model framework and compared these different Rubisco forms across [CO 2 ], [O 2 ], and temperature. We found that form II outcompetes form I at low O 2 , but cold temperatures minimize this advantage. However, further inspection of form II from cold environments uncovered signals of thermal adaptation of key amino acids which resulted in a more exposed active site. These modifications suggest that these form II Rubisco proteins may have unique kinetics or thermal stability. This work can help address the limits of autotrophic functionality in extreme environments on Earth and other planetary bodies. Importance Autotrophy, or the fixation of inorganic carbon to biomass, is a key factor in life’s ability to thrive on Earth. Research on autotrophy has focused on plants and algae, but many bacteria are also autotrophic and can survive and thrive under more extreme conditions. These bacteria are a window to past autotrophy on Earth, as well as potential autotrophy in extreme environments elsewhere in the Universe. Our study focused on dark, cold, saline environments, which are likely to be found on Enceladus and Europa, as well as in the Martian subsurface. We found compelling evidence of cold adaptation in a key autotrophic enzyme, Rubisco, which could expand the known boundaries of autotrophy in rapidly disappearing icy environments on Earth. We also present a novel model framework that can be used to probe the limits of autotrophy not only on Earth but also on key astrobiological targets like Enceladus and Europa.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
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Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
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score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».