Como um metanogênico cria seu próprio maquinário de redução de sulfato

Jun 07, 2023

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.

Um sulfato assimilador de metanogênio?

Esse dogma foi quebrado em 1986 com a descoberta do metanogênico Methanothermococcus thermolithotrophicus, crescendo em sulfato como 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.

A cascata de reação química começando do sulfato (SO42-) ao sulfeto (H2S). CRÉDITO Marion Jespersen / Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha

A primeira dissecação molecular da via de assimilação do sulfato

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. Enquanto alguns micróbios assimilam o sulfato como um bloco de construção celular, outros o usam para obter energia em um processo dissimilatório – como os humanos fazem ao respirar oxigênio. Os micróbios que realizam a redução dissimilatória de sulfato empregam um conjunto diferente de enzimas para fazê-lo. O metanogênio aqui estudado converteu uma dessas enzimas dissimilatórias em uma assimilatória. "Uma estratégia simples, mas altamente eficaz e provavelmente a razão pela qual esse metanogênio é capaz de crescer em sulfato. Até agora, essa enzima específica só foi encontrada em M. thermolithotrophicus e em nenhum outro metanogênico", explica Jespersen.