Microbio metanogénico vuelve a ensamblar una ruta metabólica para crecer en sulfato

Jan 27, 2024

Marion Jespersen trabaja en un fermentador en el que M. thermolithotrophicus crece exclusivamente con sulfato como fuente de azufre. [Tristan Wagner / Instituto Max Planck de Microbiología Marina]

El proceso por el cual las plantas y las algas adquieren azufre, que convierte el sulfato en sulfuro, requiere mucha energía y produce productos intermedios y subproductos nocivos que deben transformarse de inmediato. Debido a esto, se ha planteado la hipótesis de que los metanógenos, que generalmente tienen poca energía, no pueden convertir el sulfato en sulfuro y deben depender de otras formas de azufre. Sin embargo, el descubrimiento (de décadas de antigüedad) de que el metanógeno Methanothermococcus thermolithotrophicus crece en sulfato como la única fuente de azufre ha puesto esto en duda.

Ahora, una nueva investigación descubre cómo M. thermolithotrophicus hace esto, considerando los costos energéticos y los intermediarios tóxicos, y por qué es el único metanógeno conocido que tiene esta capacidad.

Esta investigación se publica en Nature Microbiology en el artículo, "Reducción asimilatoria de sulfato en el metanógeno marino Methanothermococcus thermolithotrophicus".

"Cuando comencé mi doctorado, realmente tenía que convencer a M. thermolithotrophicus de que comiera sulfato en lugar de sulfuro", dijo Marion Jespersen, estudiante de posgrado en el Instituto Max Planck de microbiología marina. "Pero después de optimizar el medio, Methanothermococcus se convirtió en un profesional para crecer en sulfato, con densidades de células comparables a las que crecen en sulfuro".

Para comprender los mecanismos moleculares de la asimilación del sulfato, los científicos identificaron cinco genes en el genoma de la bacteria que tenían el potencial de codificar enzimas asociadas a la reducción del sulfato.

Al caracterizar las enzimas, los científicos ensamblaron la primera vía de asimilación de sulfato a partir de un metanógeno. Si bien las dos primeras enzimas de la vía son bien conocidas y se encuentran en muchos microbios y plantas, las enzimas posteriores eran nuevas.

"Nos sorprendió ver que parece como si M. thermolithotrophicus hubiera secuestrado una enzima de un organismo disimilatorio reductor de sulfato y la modificara ligeramente para satisfacer sus propias necesidades", dijo Jespersen.

Mientras que algunos microbios asimilan el sulfato como un bloque de construcción celular, otros lo usan para obtener energía en un proceso de disimilación, como lo hacen los humanos cuando respiran oxígeno. Los microbios que realizan la reducción de sulfato disimilatoria emplean un conjunto diferente de enzimas para hacerlo. El metanógeno estudiado aquí convirtió una de estas enzimas disimilatorias en una asimilatoria.

"Una estrategia simple, pero altamente efectiva, y muy probablemente la razón por la cual este metanógeno puede crecer en sulfato. Hasta ahora, esta enzima en particular solo se ha encontrado en M. thermolithotrophicus y en ningún otro metanógeno", explicó Jespersen.

Las dos últimas enzimas de la vía están hechas para hacer frente a dos venenos que se generan durante la asimilación del sulfato. El primero, similar a una enzima disimilatoria, genera sulfuro a partir de sulfito. El segundo es un nuevo tipo de fosfatasa con gran eficacia para hidrolizar el otro veneno.

"Parece que M. thermolithotrophicus recopiló información genética de su entorno microbiano que le permitió crecer en sulfato. Al mezclar y combinar enzimas asimilatorias y disimilatorias, creó su propia maquinaria funcional de reducción de sulfato", dijo Tristan Wagner, PhD, director de la Grupo de Investigación Max Planck Metabolismo Microbiano.

Los metanógenos hidrogenotróficos, como M. thermolithotrophicus, tienen la capacidad de convertir el dihidrógeno y el dióxido de carbono en metano. En otras palabras, pueden convertir el gas de efecto invernadero CO2 en el biocombustible CH4, que puede usarse, por ejemplo, para calentar hogares.

Para hacer esto, los metanógenos se cultivan en grandes biorreactores. Un cuello de botella actual en el cultivo de metanógenos es su necesidad de gas de sulfuro de hidrógeno altamente peligroso y explosivo como fuente de azufre. Con el descubrimiento de la ruta de asimilación de sulfato en M. thermolithotrophicus, es posible modificar genéticamente los metanógenos que ya se usan en biotecnología para usar esta ruta en su lugar, lo que lleva a una producción de biogás más segura y rentable.

“Una pregunta candente sin resolver es por qué M. thermolithotrophicus asimilaría el sulfato en la naturaleza. Para esto, tendremos que salir al campo y ver si las enzimas requeridas para esta vía también se expresan en el entorno natural del microbio”, concluyó. Wagner.

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