Il microbio metanogeno riassembla una via metabolica per crescere sul solfato

Marion Jespersen lavora su un fermentatore in cui il M. termolitotrofico cresce esclusivamente su solfato come fonte di zolfo.[Tristan Wagner / Istituto Max Planck per la microbiologia marina]

Il processo mediante il quale piante e alghe acquisiscono zolfo, convertendo il solfato in solfuro, richiede molta energia e produce intermedi e sottoprodotti dannosi che devono essere immediatamente trasformati. Per questo motivo, è stato ipotizzato che i metanogeni, che di solito sono a corto di energia, non sono in grado di convertire il solfato in solfuro e devono fare affidamento su altre forme di zolfo. Tuttavia, la scoperta (vecchia di decenni) che il metanogeno Methanothermococcus termolitotrofico cresce sul solfato come unica fonte di zolfo ha messo in discussione tutto ciò.

Ora, una nuova ricerca scopre come M. thermolithotropicus fa questo, considerando i costi energetici e gli intermedi tossici, e perché è l’unico metanogeno conosciuto che ha questa capacità.

Questa ricerca è pubblicata su Nature Microbiology nell'articolo "Riduzione del solfato assimilativo nel metanogeno marino Methanothermococcus thermolithotropicus".

"Quando ho iniziato il mio dottorato, dovevo davvero convincere il M. termolitotrofico a mangiare solfato invece di solfuro", ha detto Marion Jespersen, una studentessa laureata presso l'Istituto Max Planck di microbiologia marina. "Ma dopo aver ottimizzato il terreno, Methanothermococcus è diventato un professionista nella coltivazione sul solfato, con densità cellulari paragonabili a quelle della coltivazione sul solfuro."

Per comprendere i meccanismi molecolari dell'assimilazione del solfato, gli scienziati hanno identificato cinque geni nel genoma del batterio che avevano il potenziale per codificare gli enzimi associati alla riduzione del solfato.

Caratterizzando gli enzimi, gli scienziati hanno assemblato il primo percorso di assimilazione del solfato da un metanogeno. Mentre i primi due enzimi del percorso sono ben noti e sono presenti in molti microbi e piante, gli enzimi successivi erano nuovi.

"Siamo rimasti sbalorditi nel vedere che sembra che M. termolitotrofico abbia preso il controllo di un enzima da un organismo dissimilativo che riduce i solfati e lo abbia leggermente modificato per soddisfare i propri bisogni", ha detto Jespersen.

Mentre alcuni microbi assimilano il solfato come elemento costitutivo cellulare, altri lo usano per ottenere energia in un processo dissimilatorio, come fanno gli esseri umani quando respirano ossigeno. I microbi che eseguono la riduzione dissimilatoria dei solfati impiegano un diverso insieme di enzimi per farlo. Il metanogeno studiato qui ha convertito uno di questi enzimi dissimilatori in uno assimilatorio.

"Una strategia semplice ma altamente efficace e molto probabilmente il motivo per cui questo metanogeno è in grado di crescere sul solfato. Finora, questo particolare enzima è stato trovato solo nel M. thermolithotropicus e in nessun altro metanogeno", ha spiegato Jespersen.

Gli ultimi due enzimi del percorso sono fatti per far fronte a due veleni che si generano durante l'assimilazione del solfato. Il primo, simile ad un enzima dissimilatorio, genera solfuro da solfito. Il secondo è un nuovo tipo di fosfatasi con elevata efficienza nell'idrolizzare l'altro veleno.

"Sembra che il M. thermolithotropicus abbia raccolto informazioni genetiche dal suo ambiente microbico che gli hanno permesso di crescere sul solfato. Mescolando e abbinando enzimi assimilatori e dissimilatori, ha creato il proprio macchinario funzionale per la riduzione del solfato", ha affermato Tristan Wagner, PhD, capo del Metabolismo microbico del gruppo di ricerca Max Planck.

I metanogeni idrogenotrofi, come M. termolitotrofico, hanno la capacità di convertire il diidrogeno e l'anidride carbonica in metano. In altre parole, possono convertire il gas serra CO2 nel biocarburante CH4, che può essere utilizzato, ad esempio, per riscaldare le case.

Per fare ciò, i metanogeni vengono coltivati ​​in grandi bioreattori. Un attuale collo di bottiglia nella coltivazione dei metanogeni è la loro necessità di gas di idrogeno solforato altamente pericoloso ed esplosivo come fonte di zolfo. Con la scoperta del percorso di assimilazione del solfato nel M. thermolithotropicus, è possibile ingegnerizzare geneticamente metanogeni già utilizzati in biotecnologia per utilizzare invece questo percorso, portando a una produzione di biogas più sicura ed economica.