Adventures in Rhodococcus - from steroids to explosives

Authors: Yam, Katherine C.; Okamoto, Sachi; Roberts, Joseph N.; Eltis, Lindsay D.

Source: Canadian Journal of Microbiology, Volume 57, Number 3, March 2011 , pp. 155-168(14)

Publisher: NRC Research Press

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Abstract:

Rhodococcus is a genus of mycolic-acid-containing actinomycetes that utilize a remarkable variety of organic compounds as growth substrates. This degradation helps maintain the global carbon cycle and has increasing applications ranging from the biodegradation of pollutants to the biocatalytic production of drugs and hormones. We have been using Rhodococcus jostii RHA1 as a model organism to understand the catabolic versatility of Rhodococcus and related bacteria. Our approach is exemplified by the discovery of a cluster of genes specifying the catabolism of cholesterol. This degradation proceeds via -oxidative degradation of the side chain and O2-dependent cleavage of steroid ring A in a process similar to bacterial degradation of aromatic compounds. The pathway is widespread in Actinobacteria and is critical to the pathogenesis of Mycobacterium tuberculosis, arguably the world’s most successful pathogen. The close similarity of some of these enzymes with biphenyl- and polychlorinated-biphenyl-degrading enzymes that we have characterized is facilitating inhibitor design. Our studies in RHA1 have also provided important insights into a number of novel metalloenzymes and their biosynthesis, such as acetonitrile hydratase (ANHase), a cobalt-containing enzyme with no significant sequence identity with characterized nitrile hydratases. Molecular genetic and biochemical studies have identified AnhE as a dimeric metallochaperone that delivers cobalt to ANHase, enabling its maturation in vivo. Other metalloenzymes we are characterizing include N-acetylmuramic acid hydroxylase, which catalyzes an unusual hydroxylation of the rhodococcal and mycobacterial peptidoglycan, and 2 RHA1 dye-decolorizing peroxidases. Using molecular genetic and biochemical approaches, we have demonstrated that one of these enzymes is involved in the degradation of lignin. Overall, our studies are providing fundamental insights into a range of catabolic processes that have a wide variety of applications.

Les Rhodococcus constituent un genre d’actinomycètes contenant de l’acide mycolique qui utilisent une variété remarquable de composés organiques comme substrats de croissance. Cette dégradation aide à maintenir le cycle de carbone global et génère un nombre croissant d’applications allant de la dégradation biologique des polluants à la production bio-catalytique de médicaments et d’hormones. Nous avons utilisé Rhodococcus jostii RHA1 comme modèle pour comprendre la versatilité catabolique des Rhodococcus et des bactéries apparentées. Notre approche est illustrée par la découverte d’une grappe de gènes déterminant le catabolisme du cholestérol. Cette dégradation procède par -oxydation de la chaine latérale et par clivage dépendant de l’O2 de l’anneau stéroïde A, selon un processus similaire à la dégradation des composés aromatiques par les bactéries. Cette voie est répandue chez les Actinobactéries et elle est critique à la pathogenèse de Mycobacterium tuberculosis, sans doute le pathogène le plus efficace de la planète. La grande similarité de quelques unes de ces enzymes avec les enzymes de dégradation des biphényls/BPC que nous avons caractérisées facilite la conception d’inhibiteurs. Nos travaux sur RHA1 ont aussi donné un aperçu important de nombreuses métallo-enzymes nouvelles et de leur biosynthèse. Elles comprennent l’acétonitrile hydratase (ANHase), une enzyme à cobalt ne possédant pas d’identité de séquence significative avec les nitrile hydratases caractérisées. La génétique moléculaire et les études biochimiques ont permis d’identifier l’AnhE comme métallo-chaperon dimère qui apporte le cobalt à l’ANHase, permettant sa maturation in vivo. Les autres métallo-enzymes que nous caractérisons actuellement comprennent NamH, qui catalyse une hydroxylation inhabituelle du peptidoglycane de Rhodococcus et des mycobactéries, ainsi que deux peroxydases de RHA1 de type DyP. À l’aide d’approches moléculaires, génétiques et biochimiques, nous avons démontré que l’une d’elles est impliquée dans la dégradation de la lignine. Dans l’ensemble, nos travaux fournissent un aperçu fondamental d’une gamme de processus cataboliques possédant une large variété d’applications.

Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 2011

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