Proteome-wide 3D structure prediction provides insights into the ancestral metabolism of ancient archaea and bacteria

古细菌 蛋白质组 生物 计算生物学 进化生物学 系统发育学 细菌 遗传学 基因
作者
Weishu Zhao,Bozitao Zhong,Lirong Zheng,Pan Tan,Yinzhao Wang,Hao Leng,Nicolas R. de Souza,Zhuo Liu,Liang Hong,Xiang Xiao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41467-022-35523-8
摘要

Ancestral metabolism has remained controversial due to a lack of evidence beyond sequence-based reconstructions. Although prebiotic chemists have provided hints that metabolism might originate from non-enzymatic protometabolic pathways, gaps between ancestral reconstruction and prebiotic processes mean there is much that is still unknown. Here, we apply proteome-wide 3D structure predictions and comparisons to investigate ancestorial metabolism of ancient bacteria and archaea, to provide information beyond sequence as a bridge to the prebiotic processes. We compare representative bacterial and archaeal strains, which reveal surprisingly similar physiological and metabolic characteristics via microbiological and biophysical experiments. Pairwise comparison of protein structures identify the conserved metabolic modules in bacteria and archaea, despite interference from overly variable sequences. The conserved modules (for example, middle of glycolysis, partial TCA, proton/sulfur respiration, building block biosynthesis) constitute the basic functions that possibly existed in the archaeal-bacterial common ancestor, which are remarkably consistent with the experimentally confirmed protometabolic pathways. These structure-based findings provide a new perspective to reconstructing the ancestral metabolism and understanding its origin, which suggests high-throughput protein 3D structure prediction is a promising approach, deserving broader application in future ancestral exploration.
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