Los científicos han descubierto cómo los microbios en suelos anegados producen altos niveles de etileno, que pueden afectar negativamente a los cultivos agrícolas y a las materias primas para bioenergía como el pasto varilla. Este nuevo conocimiento se puede utilizar para desarrollar tratamientos para cultivos más saludables. Crédito:Andy Sproles / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Ohio descubrieron una nueva vía microbiana que produce etileno, proporcionar una vía potencial para la biofabricación de un componente común de los plásticos, adhesivos, refrigerantes y otros productos de uso diario.
El descubrimiento, publicado en Ciencias , arroja luz sobre un antiguo misterio sobre cómo se produce el etileno en anaeróbicos, o privados de oxígeno, suelos y señala posibles caminos para evitar daños a los cultivos por altos niveles de etileno. El estudio también describe una forma previamente desconocida en la que las bacterias generan metano, un potente gas de efecto invernadero.
El equipo de investigación descubrió que el etileno y el metano son subproductos de un proceso bacteriano que produce metionina, un aminoácido necesario para la construcción de proteínas. Cuando su ambiente es anaeróbico y bajo en azufre, las bacterias se ven obligadas a eliminar el azufre de los productos de desecho celular, desencadenando esta nueva vía.
"Durante aproximadamente una década, Los investigadores han estudiado la producción biológica de etileno a través de un mecanismo diferente que ocurre en ambientes oxigenados, ", dijo el científico investigador del estado de Ohio Justin North." Existe un obstáculo técnico para ampliar ese proceso, ya que el etileno y el oxígeno mezclados a escalas industriales podrían ser explosivos. Esta nueva vía anaeróbica despeja ese obstáculo, pero aún queda trabajo por hacer para ampliarlo ".
La investigación comenzó en el estado de Ohio, donde Robert Tabita dirige un estudio en curso sobre la fijación de carbono y el metabolismo del nitrógeno y el azufre en bacterias fotosintéticas. Como parte del equipo de Tabita, North decidió medir los gases consumidos y emitidos por Rhodospirillum rubrum y otros microbios de la misma familia cuando estaban hambrientos de azufre. Se sorprendió al detectar etileno.
Bob Hettich de ORNL utilizó una técnica de espectrometría de masas especializada para caracterizar los proteomas de sistemas microbianos. Crédito:Carlos Jones / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
"Sabemos que estas bacterias producen hidrógeno y consumen dióxido de carbono, "North dijo". Pero, he aquí, estaban produciendo grandes cantidades de gas etileno. Y pensamos bien, eso es raro."
North y sus colegas del estado de Ohio estudiaron este nuevo proceso metabólico utilizando compuestos radiactivos para rastrear los precursores y la producción de metionina y etileno en microbios. Pero se necesitaba un tipo diferente de biotecnología analítica para establecer el vínculo crítico entre la vía y las proteínas llamadas enzimas que la impulsan.
Tabita se acercó a Bob Hettich, quien lidera el Grupo de Espectrometría de Masas Biológica en ORNL, para un análisis comparativo de la colección de proteínas, llamados proteomas, presente en estas bacterias fotosintéticas en dos escenarios diferentes:bajo contenido de azufre, condiciones de producción de etileno y alto contenido de azufre, condiciones no productoras de etileno. El grupo de Hettich ha desarrollado un enfoque de vanguardia para caracterizar los proteomas de sistemas microbianos mediante espectrometría de masas, una técnica que mide con precisión las masas y las vías de fragmentación de diferentes moléculas y proporciona detalles sobre la estructura y composición. Hettich y Weili Xiong, un investigador postdoctoral ORNL, identificó miles de proteínas de los sistemas con bajo y alto contenido de azufre y analizó sus abundancias comparativas para identificar un puñado de proteínas para su caracterización adicional.
"Encontramos diferencias notables, Hettich dijo. Los datos mostraron una familia de proteínas similares a la nitrogenasa que eran casi 50 veces más abundantes en el bajo contenido de azufre, muestras productoras de etileno. Algunas proteínas relacionadas con el hierro y el azufre también aumentaron en abundancia cuando el azufre era escaso, apuntando a una posible nueva vía para el metabolismo del azufre.
Estos datos fueron sorprendentes ya que las proteínas similares a la nitrogenasa se agrupan en anotaciones genéticas con nitrogenasas que tienen secuencias de ADN similares y se sabe que convierten el nitrógeno atmosférico en amoníaco. Este proceso de fijación de nitrógeno es esencial para la vida en la tierra y se ha estudiado ampliamente. Dado su nombre, estas proteínas similares a la nitrogenasa no son las que los científicos hubieran supuesto que desempeñan un papel en el metabolismo del azufre.
Weili Xiong colaboró en la investigación de espectrometría de masas mientras estaba en ORNL como asociado postdoctoral. Crédito:Carlos Jones / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
"A veces, el nombre o la anotación de un gen o una familia de genes puede ser engañoso, "Dijo Hettich." El nombre sugiere una función primaria. De hecho, el gen puede tener una función secundaria, un trabajo nocturno por así decirlo, o en realidad podría estar haciendo algo completamente diferente ".
"Pero los datos son los datos, ", continuó." Si ejecuta las medidas correctamente y de manera agnóstica donde no sabe la respuesta a priori , entonces los datos revelarán las conexiones reales ".
Con estos datos cruciales del proteoma, Los investigadores del estado de Ohio y sus colegas de la Universidad Estatal de Colorado y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico llevaron a cabo una serie de experimentos manipulando el genoma bacteriano para incluir o eliminar el grupo de genes Rru_A0793-Rru_A0796. La eliminación y el reemplazo de genes desactivaron y activaron la producción de etileno como un interruptor, confirmando que los genes y la enzima resultante que codifican son esenciales para esta vía metabólica.
Las enzimas similares a la nitrogenasa escinden los enlaces carbono-azufre para reducir el 2- (metiltio) etanol y convertirlo en un precursor para la producción de metionina. Esta vía produce etileno como subproducto. El equipo de investigación descubrió que si la fuente de azufre se cambia a sulfuro de dimetilo, el compuesto de azufre orgánico volátil más abundante, las bacterias lo utilizan en su vía de metionina y producen metano como subproducto.
Además de un medio biológico potencial para producir etileno para su uso en plásticos y otros productos industriales, Estos hallazgos podrían informar los tratamientos para cultivos en inundaciones, suelos anaeróbicos para evitar daños por sobreabundancia de etileno. En las cantidades adecuadas, el etileno es una hormona vegetal importante que ayuda a las plantas a crecer, desarrollan hojas y raíces y maduran los frutos. Este estudio crea una serie de nuevas preguntas científicas, incluso si esta vía está involucrada en interacciones entre plantas y microbios.
"Es muy emocionante que este descubrimiento esté conduciendo a nuevas líneas de investigación que en realidad pueden tener algún beneficio sustancial para la agricultura y otros cultivos también, "Dijo North.
