Rompecabezas

Jul 28, 2023

Por Instituto Max Planck de Microbiología Marina 5 de junio de 2023

Los científicos del Instituto Max Planck de Microbiología Marina han descubierto que Methanothermococcus thermolithotrophicus, un metanógeno que anteriormente se creía incapaz de convertir el sulfato en sulfuro debido a los altos costos de energía del proceso y los subproductos dañinos, de hecho puede crecer en el sulfato. Los investigadores descubrieron cinco genes que codifican enzimas asociadas a la reducción de sulfato en el genoma del metanógeno y, al caracterizar estas enzimas, ensamblaron la primera vía de asimilación de sulfato a partir de un metanógeno.

Cómo un microbio metanogénico vuelve a ensamblar una vía metabólica pieza por pieza para transformar el sulfato en un bloque de construcción celular.

Los investigadores han descubierto que el metanógeno Methanothermococcus thermolithotrophicus puede convertir el sulfato en sulfuro, desafiando las suposiciones anteriores. Al identificar una vía única de asimilación de sulfato en este metanógeno, los hallazgos abren la posibilidad de una producción de biogás más segura y rentable a través de la ingeniería genética.

El azufre es un elemento fundamental para la vida y todos los organismos lo necesitan para sintetizar materiales celulares. Los autótrofos, como las plantas y las algas, adquieren azufre al convertir el sulfato en sulfuro, que se puede incorporar a la biomasa. Sin embargo, este proceso requiere mucha energía y produce productos intermedios y subproductos nocivos que deben transformarse de inmediato. Como resultado, anteriormente se creía que los microbios conocidos como metanógenos, que generalmente tienen poca energía, no podrían convertir el sulfato en sulfuro. Por lo tanto, se asumió que estos microbios, que producen la mitad del metano del mundo, dependen de otras formas de azufre, como el sulfuro.

This dogma was broken in 1986 with the discovery of the methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus, growing on sulfate as the only sulfur source. How is this possible, considering the energetic costs and toxic intermediates? Why is it the only methanogen that seems to be capable of growing on this sulfur speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ¿especies? ¿Este organismo utiliza trucos químicos o una estrategia aún desconocida para permitir la asimilación de sulfato? Marion Jespersen y Tristan Wagner del Instituto Max Planck de Microbiología Marina ahora han encontrado respuestas a estas preguntas y las han publicado en la revista Nature Microbiology.

La estudiante de doctorado Marion Jespersen trabaja en un fermentador en el que M. thermolithotrophicus crece exclusivamente con sulfato como fuente de azufre. Crédito: Tristan Wagner / Instituto Max Planck de Microbiología Marina

El primer desafío al que se enfrentaron los investigadores fue lograr que el microbio creciera en la nueva fuente de azufre. "Cuando comencé mi doctorado, realmente tuve que convencer a M. thermolithotrophicus para que comiera sulfato en lugar de sulfuro", dice Marion Jespersen. "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".

"Las cosas se pusieron realmente emocionantes cuando medimos la desaparición del sulfato a medida que crecía el organismo. Fue entonces cuando realmente pudimos demostrar que el metanógeno convierte este sustrato". Esto permitió a los investigadores cultivar M. thermolithotrophicus de forma segura en biorreactores a gran escala, ya que ya no dependían del gas de sulfuro de hidrógeno tóxico y explosivo para su crecimiento. "Nos proporcionó suficiente biomasa para estudiar este fascinante organismo", explica Jespersen. Ahora los investigadores estaban listos para profundizar en los detalles de los procesos subyacentes.

Para comprender los mecanismos moleculares de la asimilación del sulfato, los científicos analizaron el genoma de M. thermolithotrophicus. Encontraron cinco genes que tenían el potencial de codificar enzimas asociadas a la reducción de sulfato. "Logramos caracterizar cada una de esas enzimas y, por lo tanto, exploramos la vía completa. Un verdadero tour de force cuando se piensa en su complejidad", dice Tristan Wagner, director del Metabolismo Microbiano del Grupo de Investigación de Max Planck.

La cascada de reacción química a partir de sulfato (SO42-) a sulfuro (H2S). Crédito: Marion Jespersen / Instituto Max Planck de Microbiología Marina

Al caracterizar las enzimas una por una, 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 ocurren en muchos microbios y plantas, las siguientes enzimas eran de un tipo nuevo. "Nos sorprendió ver que parece que M. thermolithotrophicus ha secuestrado una enzima de un organismo disimilatorio reductor de sulfato y la ha modificado ligeramente para satisfacer sus propias necesidades", dice 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", explica Jespersen.

Sin embargo, M. thermolithotrophicus también necesita hacer frente a dos venenos que se generan durante la asimilación del sulfato. Para eso están hechas las últimas dos enzimas de la vía: la primera, nuevamente 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, conocido en breve como PAP.

"Parece que M. thermolithotrophicus recopiló información genética de su entorno microbiano que le permitió crecer en sulfato. Al mezclar y combinar enzimas asimiladoras y disimilatorias, creó su propia maquinaria funcional de reducción de sulfato", dice Wagner.

Los metanógenos hidrogenotróficos, como M. thermolithotrophicus, tienen la asombrosa capacidad de convertir dihidrógeno (H2, por ejemplo, producido artificialmente a partir de energía renovable) y dióxido de carbono (CO2) en metano (CH4). En otras palabras, pueden convertir el gas de efecto invernadero CO2 en el biocombustible CH4, que se puede utilizar, por ejemplo, para calentar nuestros 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 vía de asimilación de sulfato en M. thermolithotrophicus, es posible modificar genéticamente metanógenos que ya se utilizan en biotecnología para utilizar esta vía en su lugar, lo que conduce a una producción de biogás más segura y rentable.

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

Referencia: "Reducción asimilatoria de sulfato en el metanógeno marino Methanothermococcus thermolithotrophicus" 5 de junio de 2023, Nature Microbiology.DOI: 10.1038/s41564-023-01398-8