Come un metanogeno crea il proprio macchinario per la riduzione dei solfati

Jun 11, 2023

Lo zolfo è un elemento fondamentale della vita e tutti gli organismi ne hanno bisogno per sintetizzare i materiali cellulari. Gli organismi autotrofi, come piante e alghe, acquisiscono zolfo convertendo il solfato in solfuro, che può essere incorporato nella biomassa.

Tuttavia, questo processo richiede molta energia e produce intermedi e sottoprodotti dannosi che devono essere immediatamente trasformati. Di conseguenza, in precedenza si credeva che i microbi noti come metanogeni, che di solito sono a corto di energia, non sarebbero stati in grado di convertire il solfato in solfuro. Pertanto, si è ipotizzato che questi microbi, che producono metà del metano mondiale, facciano affidamento su altre forme di zolfo, come il solfuro.

Un solfato che assimila metanogeno?

Questo dogma è stato infranto nel 1986 con la scoperta del metanogeno Methanothermococcus termolitotrofico, che cresce sul solfato come unica fonte di zolfo. Com'è possibile ciò, considerando i costi energetici e gli intermedi tossici? Perché è l'unico metanogeno che sembra essere in grado di crescere su questa specie di zolfo? Questo organismo utilizza trucchi chimici o una strategia ancora sconosciuta per consentire l'assimilazione dei solfati? Marion Jespersen e Tristan Wagner dell'Istituto Max Planck per la microbiologia marina hanno ora trovato le risposte a queste domande e le hanno pubblicate sulla rivista Nature Microbiology.

La prima sfida affrontata dai ricercatori è stata quella di far crescere il microbo sulla nuova fonte di zolfo. "Quando ho iniziato il mio dottorato, dovevo davvero convincere il M. termolitotrofico a mangiare solfato invece di solfuro", dice Marion Jespersen. "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."

"Le cose sono diventate davvero entusiasmanti quando abbiamo misurato la scomparsa del solfato man mano che l'organismo cresceva. Questo è stato il momento in cui abbiamo potuto davvero dimostrare che il metanogeno converte questo substrato." Ciò ha consentito ai ricercatori di coltivare in modo sicuro M. thermolithotropicus in bioreattori su larga scala, poiché non dipendevano più dal gas tossico ed esplosivo di idrogeno solforato per la crescita. "Ci ha fornito biomassa sufficiente per studiare questo affascinante organismo", spiega Jespersen. Ora i ricercatori erano pronti a scavare nei dettagli dei processi sottostanti.

La cascata della reazione chimica che parte dal solfato (SO42-) al solfuro (H2S). CREDITO Marion Jespersen / Istituto Max Planck per la microbiologia marina

La prima dissezione molecolare del percorso di assimilazione del solfato

Per comprendere i meccanismi molecolari dell'assimilazione del solfato, gli scienziati hanno analizzato il genoma del M. termolitotrofico. Hanno scoperto cinque geni che avevano il potenziale per codificare gli enzimi associati alla riduzione dei solfati. "Siamo riusciti a caratterizzare ognuno di questi enzimi e quindi a esplorarne il percorso completo. Un vero tour de force se si pensa alla sua complessità", afferma Tristan Wagner, capo del Max Planck Research Group Microbial Metabolism.

Caratterizzando gli enzimi uno per uno, 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 si trovano in molti microbi e piante, gli enzimi successivi erano di un tipo nuovo. "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", afferma 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 molto 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", spiega Jespersen.