Insights sobre um micróbio ‘quente’ que pode crescer em nitrogênio enquanto produz metano – Strong The One

Carbono e nitrogênio são elementos essenciais à vida. Alguns organismos ocupam posições-chave para o ciclo 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 observando os níveis de hidrogênio e dióxido de carbono”, diz Maslać, que realizou a pesquisa como parte de seu projeto de doutorado. “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 a então₂-fixação. “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.

Tão improvável quanto uma abelha

As habilidades metabólicas de M. thermolithotrophicus são intrigantes: esses micróbios usam 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.”

Uma nitrogenase robusta

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 de molibdênio para fixar N₂ e não incomodado pelo tungstato, o que implica uma adaptação dos sistemas de aquisição de metal, tornando-o ainda mais robusto para diferentes aplicações potenciais”, diz Maslać.

Repensando a produção de amônia

Fixação de nitrogênio, ou seja, obtenção de nitrogênio de 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. O processo Haber-Bosch é extremamente exigente em termos de energia: consome 2% da produção mundial de energia e libera ao mesmo tempo até 1,4% das emissões globais de carbono. Assim, as pessoas estão buscando alternativas mais sustentáveis ​​para produzir amônia. “O processo usado por M. thermolithotrophicus mostra que lá fora no mundo microbiano ainda existem soluções que podem permitir uma produção mais eficiente de amônia, e que podem até ser combinadas com a produção de biocombustíveis por meio do metano”, diz Wagner. “Com esse estudo, entendemos que sob N₂-fixando condições, o metanogênio sacrifica sua produção de proteínas para favorecer a captura de nitrogênio, uma estratégia particularmente inteligente de realocação de energia”, resume Wagner. “Nosso próximo passo será entrar nos detalhes moleculares do processo e das enzimas envolvidas, como bem como para olhar para outras partes do metabolismo do organismo.”