Los científicos han descubierto cómo los microbios en suelos anegados producen altos niveles de etileno, lo que puede afectar negativamente a los cultivos agrícolas y a las materias primas bioenergéticas 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 Oak Ridge del Departamento de Energía y de la Universidad Estatal de Ohio descubrieron una nueva vía microbiana que produce etileno, proporcionando una vía potencial para la biofabricación de un componente común de plásticos, adhesivos, refrigerantes y otros productos cotidianos.
El descubrimiento, publicado en Ciencias, arroja luz sobre un antiguo misterio sobre cómo se produce el etileno en suelos anaeróbicos, o privados de oxígeno, y apunta a posibles caminos para evitar daños a los cultivos por altos niveles de etileno. El estudio también describe una forma previamente desconocida en que las bacterias generan metano, un poderoso 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 amino ácido necesario para la construcción de proteínas. Cuando su entorno es anaeróbico y bajo en azufre, las bacterias se ven obligadas a eliminar el azufre de los productos de desecho celular, lo que desencadena 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 la mezcla de etileno y oxígeno a escala industrial podría ser explosiva. Esta nueva vía anaeróbica supera ese obstáculo, pero aún queda trabajo por hacer para ampliarla “.
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.
“Sabemos que estas bacterias producen hidrógeno y consumen dióxido de carbono”, dijo North. “Pero, he aquí, estaban produciendo grandes cantidades de gas etileno. Y pensamos, bueno, eso es extraño “.
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.
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.
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, llamadas proteomas, presentes en estas bacterias fotosintéticas bajo dos escenarios diferentes: bajo contenido de azufre, condiciones de producción de etileno y alta. -Azufre, condiciones que no producen 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 de ORNL, identificaron miles de proteínas de los sistemas de bajo y alto contenido de azufre y analizaron sus abundancias comparativas para identificar un puñado de proteínas para una caracterización adicional.
“Encontramos diferencias sorprendentes”, dijo Hettich. Los datos mostraron una familia de proteínas similares a la nitrogenasa que eran casi 50 veces más abundantes en las muestras productoras de etileno con bajo contenido de azufre. Algunas proteínas relacionadas con el hierro y el azufre también aumentaron en abundancia cuando el azufre era escaso, lo que apunta 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 similares ADN secuencias 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.
“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 principal. De hecho, el gen podría tener una función secundaria, un trabajo nocturno, por así decirlo, o podría estar haciendo algo completamente diferente “.
“Pero los datos son los datos”, continuó. “Si ejecuta las mediciones correctamente y de forma agnóstica donde no sabe la respuesta a priori, entonces los datos revelarán las conexiones reales “.
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.
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 realizaron 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, lo que confirma 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 en un precursor para producir 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 usan en su vía de metionina y producen metano como subproducto.
Además de un medio biológico potencial para producir etileno para uso en plásticos y otros productos industriales, estos hallazgos podrían informar tratamientos para cultivos en suelos anaeróbicos anegados para prevenir daños por sobreabundancia de etileno. En las cantidades adecuadas, el etileno es una hormona vegetal importante que ayuda a las plantas a crecer, desarrollar hojas y raíces y madurar los frutos. Este estudio crea una serie de nuevas preguntas científicas, incluido si esta vía está involucrada en interacciones entre plantas y microbios.
“Es muy emocionante que este descubrimiento esté dando lugar a nuevas líneas de investigación que en realidad pueden tener algún beneficio sustancial para la agricultura y otros cultivos también”, dijo North.
Referencia: “Un sistema enzimático similar a la nitrogenasa cataliza la biogénesis de metionina, etileno y metano” por Justin A. North, Adrienne B. Narrowe, Weili Xiong, Kathryn M. Byerly, Guanqi Zhao, Sarah J. Young, Srividya Murali, John A . Wildenthal, William R. Cannon, Kelly C. Wrighton, Robert L. Hettich y F. Robert Tabita, 28 de agosto de 2020, Science.
DOI: 10.1126 / science.abb6310
La investigación en ORNL, Ohio State y el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL, fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE. El trabajo de la Universidad Estatal de Colorado fue apoyado por el Instituto Nacional del Cáncer y la Fundación Nacional de Ciencias.
