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Nov 06, 2023

Insights sobre um micróbio 'quente' que pode crescer em nitrogênio enquanto produz metano

22 de novembro de 2022 por

22 de novembro de 2022

por Sociedade Max Planck

Cientistas do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha melhoraram com sucesso o cultivo de um microrganismo que pode fixar nitrogênio (N2) enquanto produz metano (CH4) e amônia (NH3) e investigaram detalhes interessantes de seu metabolismo.

Carbono e nitrogênio são elementos essenciais à vida. Alguns organismos ocupam posições-chave para a ciclagem de ambos – entre eles Methanothermococcus thermolithotrophicus. Por trás do nome complicado esconde-se um micróbio complicado. M. thermolithotrophicus é um metanogênico marinho amante do calor.

Vive em sedimentos oceânicos, desde costas arenosas e sapais até ao mar profundo, preferencialmente a temperaturas que rondam os 65 °C. É capaz de transformar nitrogênio (N2) e dióxido de carbono (CO2) em amônia (NH3) e metano (CH4) usando hidrogênio (H2). Ambos os produtos, amônia e metano, são muito interessantes para aplicações biotecnológicas na produção de fertilizantes e biocombustíveis.

Tristan Wagner e Nevena Maslać, do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, agora conseguiram cultivar esse micróbio em um fermentador - uma tarefa desafiadora.

“É muito complicado fornecer as condições perfeitas para que esse micróbio prospere enquanto fixa N2 – altas temperaturas, sem oxigênio e de olho nos níveis de hidrogênio e dióxido de carbono”, diz Maslać, que realizou a pesquisa como parte de seu doutorado. D. projeto. “Mas com alguma engenhosidade e perseverança, conseguimos fazê-los prosperar em nosso laboratório e atingir as maiores densidades celulares relatadas até agora”.

Uma vez que as culturas estavam funcionando, os cientistas puderam investigar a fisiologia do micróbio em detalhes e, posteriormente, aprofundar seus estudos observando como o metabolismo do micróbio se adapta à fixação de N2. "Em estreita colaboração com nossos colegas Chandni Sidhu e Hanno Teeling, combinamos testes fisiológicos e transcriptômica diferencial, o que nos permitiu aprofundar o metabolismo de M. thermolithotrophicus", explica Maslać.

As habilidades metabólicas de M. thermolithotrophicus são intrigantes: esses micróbios usam a metanogênese, um metabolismo que se originou na Terra anóxica primitiva, para adquirir sua energia celular. Comparados aos humanos que usam oxigênio para transformar glicose em dióxido de carbono, os metanogênicos obtêm apenas uma quantidade muito limitada de energia da metanogênese. Paradoxalmente, a fixação de nitrogênio requer quantidades gigantescas de energia, o que os esgotaria.

"Eles são um pouco como os zangões, que teoricamente são muito pesados ​​para voar, mas obviamente o fazem", diz o autor sênior Tristan Wagner, líder do grupo de Metabolismo Microbiano do Max Planck Research Group. "Apesar dessa limitação de energia, esses micróbios fascinantes foram considerados os principais fixadores de nitrogênio em alguns ambientes."

A enzima que os organismos usam para fixar o nitrogênio é chamada de nitrogenase. As nitrogenases mais comuns requerem molibdênio para realizar a reação. A nitrogenase do molibdênio é bem estudada em bactérias que vivem como simbiontes nas raízes das plantas. Sua nitrogenase pode ser inibida pelo tungstato.

Surpreendentemente, os cientistas de Bremen descobriram que M. thermolithotrophicus não é perturbado pelo tungstato enquanto cresce em N2. “Nosso micróbio dependia apenas do molibdênio para fixar o N2 e não era incomodado pelo tungstato, o que implica uma adaptação dos sistemas de aquisição de metais, tornando-o ainda mais robusto para diferentes aplicações potenciais”, diz Maslać.

A fixação do nitrogênio, ou seja, a obtenção do nitrogênio do N2, é o principal processo de inserção do nitrogênio no ciclo biológico. Para a produção de fertilizantes industriais, esse processo é realizado por meio do processo Haber-Bosch, que fixa artificialmente o nitrogênio para produzir amônia com hidrogênio sob altas temperaturas e pressões. É usado para produzir a maior parte da amônia do mundo, um fertilizante essencial para sustentar a agricultura global.