Con una participación de hasta el diez por ciento, El etano es el segundo componente más común del gas natural y está presente en depósitos de gas marinos y terrestres profundos en todo el mundo. Hasta ahora, no estaba claro cómo se degrada el etano en ausencia de oxígeno. Un equipo de investigadores del Centro Helmholtz de Investigación Ambiental (UFZ) ha resuelto este misterio, después de más de quince años de trabajo de investigación en cooperación con colegas del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen. En un cultivo microbiano obtenido de muestras de sedimento del Golfo de México, los científicos han descubierto una arqueona que oxida el etano. El organismo unicelular se ha denominado Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, que literalmente significa 'devorador de etano de crecimiento lento'. En un artículo ahora publicado en la revista Naturaleza , los investigadores describen la vía metabólica de degradación del etano.

Los investigadores tuvieron que demostrar mucha paciencia para resolver el misterio de la degradación anaeróbica de los hidrocarburos saturados. En 2002, El microbiólogo de la UFZ Dr. Florin Musat, quien en ese momento estaba realizando una investigación en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina con sede en Bremen, recibió una muestra de sedimento proveniente del Golfo de México. La muestra se había extraído de filtraciones de gas natural a una profundidad de agua de más de 500 metros. Se necesitaron más de diez años de esfuerzo de cultivo para obtener cantidades suficientes del cultivo que contiene el arqueón, como base para experimentos detallados para decodificar la estructura y el metabolismo de la comunidad microbiana. Durante sus mediciones regulares, Florin Musat reconoció que la oxidación del etano estaba acoplada a la reducción del sulfato a sulfuro de hidrógeno. "Por un largo tiempo, pensamos que la degradación anaeróbica del etano la llevaron a cabo las bacterias de forma similar a la degradación del butano o del propano, pero no pudimos identificar los productos metabólicos típicos de un mecanismo bacteriano de oxidación, "dice Musat.

Para descubrir los secretos de la oxidación del etano, Musat, que trabaja en la UFZ desde 2014, aprovechó las posibilidades que ofrece la plataforma tecnológica ProVIS. El Centro de Microscopía Química (ProVIS) combina una gran cantidad de dispositivos grandes, permitiendo eficiente, análisis químicos rápidos y sensibles de muestras biológicas, estructuras y superficies a escala nanométrica. Por ejemplo, El equipo de Musat utilizó microscopía de fluorescencia para demostrar que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans constituye la parte dominante del cultivo en alrededor del 65 por ciento del número total de células. mientras que dos deltaproteobacterias reductoras de sulfato constituyen alrededor del 30 por ciento. Los metabolitos y proteínas se caracterizaron mediante técnicas de espectrometría de masas de alta resolución y la composición química y la organización espacial de los microorganismos individuales se determinaron mediante microscopía de iones de helio y NanoSIMS. Usando estos métodos, los investigadores demostraron que el arqueón es responsable de la oxidación del etano en dióxido de carbono, y las bacterias acompañantes para reducir el sulfato a sulfuro.

Es más, observaron que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans no forma agregados con las bacterias asociadas durante la oxidación del etano, en contraste con las culturas que degradan el metano, propano o butano. "El arqueón y los dos tipos de bacterias crecen principalmente como células libres. Conexiones intercelulares por nano-cables que mediarían la transferencia de electrones, como se muestra con otras culturas, están perdidos, "dice Musat. Por esta razón, Queda una pregunta interesante:¿cómo interactúan Argoarchaeum y las bacterias entre sí? Los análisis del metagenoma revelaron que la arqueona no posee genes conocidos para la reducción de sulfatos. Esto significa que los electrones de la oxidación del etano deben transferirse a las bacterias reductoras de sulfato. Las investigaciones realizadas por NanoSIMS sugirieron que esta transferencia podría ocurrir potencialmente a través de compuestos de azufre. "Las arqueas obtienen energía de la oxidación del etano en una sintrofia obviamente compleja (comunidad de alimentadores cruzados) con sus socios reductores de sulfato, "dice Musat.

En su búsqueda del mecanismo de transferencia de electrones, El equipo de Musat investigó el cultivo utilizando un microscopio de iones de helio. Este análisis condujo a un hallazgo inesperado:Candidatus Argoarchaeum forma pequeñas vesículas celulares, que permanecen unidos en pequeños racimos inusuales, lo que indica que las arqueas se dividen por gemación.

Finalmente, en el genoma de Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, los científicos identificaron todos los genes necesarios para una enzima funcional similar a la metil-coenzima M reductasa, que cataliza el primer paso en la degradación anaeróbica del etano. Usando espectrometría de masas de ultra alta resolución, también pudieron encontrar el producto de esta enzima, etil-coenzima M. Otros análisis de genoma y proteoma identificaron los genes y enzimas para las siguientes reacciones, descifrando así la vía metabólica completa.

Hasta la fecha, La investigación sobre la oxidación anaeróbica del etano ha sido fundamentalmente fundamental. Pero dando un paso más Los hallazgos de los investigadores también podrían ser útiles para aplicaciones industriales. "Ahora somos conscientes de los mecanismos que subyacen a la degradación de los hidrocarburos de cadena corta por las 'alquil'-CoM reductasas, y suponemos que las reacciones inversas pueden ser factibles. Si se demuestra, esto significa biotecnologías para producir hidrocarburos utilizando estos u otros microorganismos similares, ", dice Musat. Esto podría marcar el comienzo de nuevas aplicaciones biotecnológicas para producir combustibles sintéticos, como el butano rico en energía, por ejemplo. El butano contiene más energía por litro y puede licuarse mucho más fácilmente que el metano, un concepto que Florin Musat y su equipo estarán atentos para futuras investigaciones.