Metabolic adjustments in response to ATP spilling by the small DX protein in a Streptomyces strain

• Published in: Frontiers in cell and developmental biology Vol. 11
• Main Authors: Apel, Cécile, Levasseur, Marceau, Lejeune, Clara, Korch, Shaleen B, Guérard, Florence, David, Michelle, Askora, Ahmed, Litaudon, Marc, Roussi, Fanny, Gakière, Bertrand, Chaput, John, Virolle, Marie-Joelle
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Frontiers media 08-03-2023
• Subjects: Life Sciences; ATP spilling; respiration; antibiotics; oxydative metabolism; oxidative stress
• ISSN: 2296-634X; 2296-634X
• DOI: 10.3389/fcell.2023.1129009

ATP wasting is recognized as an efficient strategy to enhance metabolic activity and productivity of specific metabolites in several microorganisms . However, such strategy has been rarely implemented in Streptomyces species whereas antibiotic production by members of this genus is known to be triggered in condition of phosphate limitation that is correlated with a low ATP content. In consequence, to assess the effects of ATP spilling on the primary and specialized metabolisms of Streptomyces , the gene encoding the small synthetic protein DX, that has high affinity for ATP and dephosphorylates ATP into ADP, was cloned in the integrative vector pOSV10 under the control of the strong Erm E promoter. This construct and the empty vector were introduced into the species Streptomyces albogriseolus/viridodiastaticus yielding A37 and A36, respectively. A37 yielded higher biomass than A36 indicating that the DX-mediated ATP degradation resulted into a stimulation of A37 metabolism, consistently with what was reported in other microorganisms. The comparative analysis of the metabolomes of A36 and A37 revealed that A37 had a lower content in glycolytic and Tricarboxylic Acid Cycle intermediates as well as in amino acids than A36, these metabolites being consumed for biomass generation in A37. In contrast, the abundance of other molecules indicative either of energetic stress (ADP, AMP, UMP, ornithine and thymine), of activation (NAD and threonic acid) or inhibition (citramalic acid, fatty acids, TAG and L-alanine) of the oxidative metabolism, was higher in A37 than in A36. Furthermore, hydroxyl-pyrimidine derivatives and polycyclic aromatic polyketide antibiotics belonging to the angucycline class and thought to have a negative impact on respiration were also more abundantly produced by A37 than by A36. This comparative analysis thus revealed the occurrence in A37 of antagonistic metabolic strategies, namely, activation or slowing down of oxidative metabolism and respiration, to maintain the cellular energetic balance. This study thus demonstrated that DX constitutes an efficient biotechnological tool to enhance the expression of the specialized metabolic pathways present in the Streptomyces genomes that may include cryptic pathways. Its use thus might lead to the discovery of novel bioactive molecules potentially useful to human health.
La réduction de la concentration intracellulaire en ATP est une stratégie efficace connue pour augmenter l'activité métabolique et la productivité de certains métabolites chez différentes espèces de micro-organismes. Cependant, une telle stratégie a été rarement mise en œuvre chez les bactéries du genre Streptomyces, alors que la production d'antibiotiques par ces dernières est connue pour être déclenchée dans des conditions de limitation en phosphate, condition qui est corrélée avec une faible concentration intracellulaire en ATP. Afin d'évaluer les effets d'une réduction du contenu intracellulaire en ATP sur les métabolismes primaires et spécialisés de Streptomyces, le gène codant pour la petite protéine synthétique DX, qui a une forte affinité pour l'ATP et déphosphoryle l'ATP en ADP, a été cloné dans le vecteur intégratif pOSV10 sous le contrôle du fort promoteur Erm E. Cette construction et le vecteur vide ont été introduits dans l'espèce Streptomyces albogriseolus/viridodiastaticus, donnant respectivement A37 et A36. A37 a produit une biomasse plus élevée que A36, ce qui indique que la dégradation de l'ATP médiée par le DX a entraîné une stimulation du métabolisme de A37, conformément à ce qui a été rapporté chez d'autres micro-organismes. L'analyse comparative des métabolomes de l'A36 et de l'A37 a révélé que l'A37 avait une teneur plus faible que l'A36 en intermédiaires de la glycolyse et du cycle de Krebs ainsi qu'en acides aminés, ces métabolites étant consommés pour la génération de biomasse chez l'A37. En revanche, l'abondance d'autres molécules révélatrices soit d'un stress énergétique (ADP, AMP, UMP, ornithine et thymine), de l'activation (NAD et acide thréonique) ou de l'inhibition (acide citramalique, acides gras, TAG et L-alanine) du métabolisme oxydatif était plus élevée chez A37 que chez A36. De plus, des dérivés d'hydroxyle-pyrimidine et des antibiotiques de type polykétide appartenant à la classe des angucyclines et censés avoir un impact négatif sur la respiration étaient également produits plus abondamment par A37 que par A36. Cette analyse métabolomique comparative a ainsi révélé l'existence chez A37 de stratégies métaboliques antagonistes, à savoir l'activation ou le ralentissement du métabolisme oxydatif et de la respiration afin de maintenir homéostasie énergétique de la cellule. Cette étude a ainsi démontré que DX constitue un outil biotechnologique efficace pour augmenter l'expression des voies métaboliques spécialisées, incluant des voies cryptiques, présentes dans les génomes de Streptomyces. Son utilisation pourrait ainsi conduire à la découverte de nouvelles molécules bioactives potentiellement utiles à la santé humaine.