Micróbio metanogênico remonta uma via metabólica para crescer no sulfato

Marion Jespersen trabalha em um fermentador no qual M. thermolithotrophicus cresce exclusivamente com sulfato como fonte de enxofre. [Tristan Wagner / Max Planck Institute for Marine Microbiology]

O processo pelo qual plantas e algas adquirem enxofre – convertendo sulfato em sulfeto – requer muita energia e produz intermediários e subprodutos nocivos que precisam ser transformados imediatamente. Por causa disso, foi levantada a hipótese de que os metanogênicos, que geralmente têm pouca energia, são incapazes de converter sulfato em sulfeto e devem depender de outras formas de enxofre. No entanto, a descoberta (de décadas) de que o metanogênico Methanothermococcus thermolithotrophicus cresce em sulfato como a única fonte de enxofre colocou isso em questão.

Agora, uma nova pesquisa revela como M. thermolithotrophicus faz isso, considerando os custos energéticos e intermediários tóxicos, e por que é o único metanogênico conhecido que tem essa capacidade.

Esta pesquisa foi publicada na Nature Microbiology no artigo "Assimilatory sulfato-reduction in the marine methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus".

"Quando comecei meu doutorado, realmente tive que convencer M. thermolithotrophicus a comer sulfato em vez de sulfeto", disse Marion Jespersen, estudante de pós-graduação do Instituto Max Planck de microbiologia marinha. "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."

Para entender os mecanismos moleculares da assimilação do sulfato, os cientistas identificaram cinco genes no genoma da bactéria que tinham o potencial de codificar enzimas associadas à redução do sulfato.

Ao caracterizar as enzimas, 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 enzimas subsequentes eram novas.

"Ficamos surpresos ao ver que parece que M. thermolithotrophicus sequestrou uma enzima de um organismo redutor de sulfato dissimilatório e a modificou ligeiramente para atender às suas próprias necessidades", disse 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", explicou Jespersen.

As duas últimas enzimas da via são feitas para lidar com dois venenos que são gerados durante a assimilação do sulfato. A primeira, semelhante a uma enzima dissimilatória, gera sulfeto a partir do sulfito. O segundo é um novo tipo de fosfatase com eficiência robusta para hidrolisar o outro veneno.

"Parece que M. thermolithotrophicus coletou informações genéticas de seu ambiente microbiano que lhe permitiram crescer em sulfato. Ao misturar e combinar enzimas assimilatórias e dissimilatórias, ele criou sua própria maquinaria funcional de redução de sulfato", disse Tristan Wagner, PhD, chefe do Max Planck Research Group Metabolismo Microbiano.

Metanogênios hidrogenotróficos, como M. thermolithotrophicus, têm a capacidade de converter di-hidrogênio e dióxido de carbono em metano. Em outras palavras, eles podem converter o gás de efeito estufa CO2 no biocombustível CH4, que pode ser usado, por exemplo, para aquecer residências.

Para fazer isso, os metanogênicos são cultivados em grandes biorreatores. Um gargalo atual no cultivo de metanogênicos é a necessidade do altamente perigoso e explosivo gás sulfeto de hidrogênio como fonte de enxofre. Com a descoberta da via de assimilação de sulfato em M. thermolithotrophicus, é possível modificar geneticamente metanógenos que já são usados ​​em biotecnologia para usar essa via – levando a uma produção de biogás mais segura e econômica.