Como um micróbio cria sua própria maquinaria de redução de sulfato

Jan 27, 2024

5 de junho de 2023

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por Sociedade Max Planck

Cientistas do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha em Bremen, Alemanha, descobriram os segredos moleculares de um micróbio gerador de metano que pode transformar sulfato em sulfeto – um bloco de construção celular pronto para uso. Esta descoberta abre oportunidades interessantes na produção de biocombustíveis.

O enxofre é um elemento fundamental da vida e todos os organismos precisam dele para sintetizar materiais celulares. Autotróficos, como plantas e algas, adquirem enxofre convertendo sulfato em sulfeto, que pode ser incorporado à biomassa. No entanto, esse processo requer muita energia e produz intermediários e subprodutos nocivos que precisam ser transformados imediatamente.

Como resultado, acreditava-se anteriormente que micróbios conhecidos como metanogênicos, que geralmente têm pouca energia, seriam incapazes de converter sulfato em sulfeto. Portanto, assumiu-se que esses micróbios, que produzem metade do metano do mundo, dependem de outras formas de enxofre, como o sulfeto.

Este dogma foi quebrado em 1986 com a descoberta do metanogênico, Methanothermococcus thermolithotrophicus, crescendo em sulfato como a única fonte de enxofre. Como isso é possível, considerando os custos energéticos e intermediários tóxicos? Por que é o único metanogênico que parece ser capaz de crescer nesta espécie de enxofre? Este organismo usa truques químicos ou uma estratégia ainda desconhecida para permitir a assimilação de sulfato? Marion Jespersen e Tristan Wagner, do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, agora encontraram respostas para essas perguntas e as publicaram na revista Nature Microbiology.

O primeiro desafio que os pesquisadores encontraram foi fazer com que o micróbio crescesse na nova fonte de enxofre. "Quando comecei meu doutorado, realmente tive que convencer M. thermolithotrophicus a comer sulfato em vez de sulfeto", diz Marion Jespersen. "Mas depois de otimizar o meio, o Methanothermococcus tornou-se um profissional em crescer em sulfato, com densidades celulares comparáveis ​​às do crescimento em sulfeto."

"As coisas ficaram realmente emocionantes quando medimos o desaparecimento do sulfato à medida que o organismo crescia. Foi quando pudemos realmente provar que o metanogênio converte esse substrato." Isso permitiu que os pesquisadores cultivassem M. thermolithotrophicus com segurança em biorreatores em larga escala, já que não dependiam mais do gás sulfídrico tóxico e explosivo para crescer. "Ele nos forneceu biomassa suficiente para estudar esse organismo fascinante", explica Jespersen. Agora os pesquisadores estavam prontos para aprofundar os detalhes dos processos subjacentes.

Para entender os mecanismos moleculares da assimilação do sulfato, os cientistas analisaram o genoma do M. thermolithotrophicus. Eles encontraram cinco genes que tinham o potencial de codificar enzimas associadas à redução de sulfato. "Conseguimos caracterizar cada uma dessas enzimas e, portanto, exploramos o caminho completo. Um verdadeiro tour de force quando você pensa sobre sua complexidade", diz Tristan Wagner, chefe do Max Planck Research Group Microbial Metabolism.

Ao caracterizar as enzimas uma a uma, os cientistas montaram a primeira via de assimilação de sulfato de um metanogênio. Enquanto as duas primeiras enzimas da via são bem conhecidas e ocorrem em muitos micróbios e plantas, as próximas enzimas eram de um novo tipo. "Ficamos surpresos ao ver que parece que M. thermolithotrophicus sequestrou uma enzima de um organismo redutor de sulfato dissimilatório e a modificou levemente para atender às suas próprias necessidades", diz Jespersen.