Con una quota fino al dieci per cento, l'etano è il secondo componente più comune del gas naturale ed è presente nei giacimenti di gas terrestri e marini profondi di tutto il mondo. Fino ad ora, non era chiaro come l'etano venga degradato in assenza di ossigeno. Un team di ricercatori del Centro Helmholtz per la ricerca ambientale (UFZ) ha risolto questo mistero, dopo più di quindici anni di lavoro di ricerca in collaborazione con i colleghi dell'Istituto Max Planck per la microbiologia marina di Brema. In una coltura microbica ottenuta da campioni di sedimenti del Golfo del Messico, gli scienziati hanno scoperto un archeon che ossida l'etano. L'organismo unicellulare è stato chiamato Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, che letteralmente significa "mangiatore di etano a crescita lenta". In un articolo ora pubblicato sulla rivista Natura , i ricercatori descrivono la via metabolica della degradazione dell'etano.

I ricercatori hanno dovuto dimostrare una grande pazienza nel risolvere il mistero della degradazione anaerobica degli idrocarburi saturi. Nel 2002, Il microbiologo UFZ Dr. Florin Musat, che a quel tempo stava conducendo ricerche presso il Max Planck Institute for Marine Microbiology di Brema, ricevuto un campione di sedimento proveniente dal Golfo del Messico. Il campione era stato raccolto da infiltrazioni di gas naturale a una profondità d'acqua di oltre 500 metri. Ci sono voluti oltre dieci anni di sforzi di coltivazione per ottenere quantità sufficienti della coltura contenente l'archeon, come base per esperimenti dettagliati per decodificare la struttura e il metabolismo della comunità microbica. Durante le sue misurazioni regolari, Florin Musat riconobbe che l'ossidazione dell'etano era accoppiata alla riduzione del solfato in idrogeno solforato. "Per molto tempo, pensavamo che la degradazione anaerobica dell'etano fosse effettuata dai batteri in modo simile alla degradazione del butano o del propano, ma non siamo stati in grado di identificare i prodotti metabolici tipici di un meccanismo batterico di ossidazione, "dice Musat.

Per scoprire i segreti dell'ossidazione dell'etano, Musat, che lavora all'UFZ dal 2014, sfruttato le possibilità offerte dalla piattaforma tecnologica ProVIS. Il Centro per la Microscopia Chimica (ProVIS) combina un gran numero di grandi dispositivi, permettendo efficiente, analisi chimiche rapide e sensibili di campioni biologici, strutture e superfici su scala nanometrica. Per esempio, Il team di Musat ha utilizzato la microscopia a fluorescenza per dimostrare che il Candidatus Argoarchaeum ethanivorans costituisce la parte dominante della coltura a circa il 65 percento del numero totale di cellule, mentre due Deltaproteobatteri che riducono i solfati costituiscono circa il 30 percento. I metaboliti e le proteine ​​sono stati caratterizzati mediante tecniche di spettrometria di massa ad alta risoluzione e la composizione chimica e l'organizzazione spaziale dei singoli microrganismi sono state determinate mediante microscopia con ioni di elio e NanoSIMS. Utilizzando questi metodi, i ricercatori hanno dimostrato che l'archeon è responsabile dell'ossidazione dell'etano in anidride carbonica, e i batteri di accompagnamento per ridurre il solfato a solfuro.

Per di più, hanno osservato che Candidatus Argoarchaeum ethanivorans non forma aggregati con i batteri partner durante l'ossidazione dell'etano, a differenza delle colture che degradano il metano, propano o butano. "L'archeone e i due tipi di batteri crescono principalmente come cellule libere. Connessioni intercellulari tramite nano-fili che mediano il trasferimento di elettroni, come mostrato con altre culture, mancano, " dice Musat. Per questo motivo, rimane una domanda eccitante:come interagiscono tra loro Argoarchaeum e i batteri? Le analisi del metagenoma hanno rivelato che l'archeon non possiede geni noti per la riduzione dei solfati. Ciò significa che gli elettroni dell'ossidazione dell'etano devono essere trasferiti ai batteri che riducono i solfati. Le indagini condotte da NanoSIMS hanno suggerito che questo trasferimento potrebbe potenzialmente avvenire attraverso i composti dello zolfo. "Gli archaea ottengono energia dall'ossidazione dell'etano in una sintrofia ovviamente complessa (comunità di alimentatori incrociati) con i loro partner che riducono i solfati, "dice Musat.

Nella loro caccia al meccanismo di trasferimento degli elettroni, Il team di Musat ha studiato la coltura utilizzando un microscopio a ioni di elio. Questa analisi ha portato a una scoperta inaspettata:il Candidatus Argoarchaeum forma piccole vescicole cellulari, che rimangono attaccati in insoliti minuscoli grappoli, indicando che gli archaea si dividono per gemmazione.

Finalmente, nel genoma di Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, gli scienziati hanno identificato tutti i geni necessari per un enzima funzionale metil-coenzima M reduttasi, che catalizza il primo passo nella degradazione anaerobica dell'etano. Utilizzando la spettrometria di massa ad altissima risoluzione, sono stati anche in grado di trovare il prodotto di questo enzima, etil-coenzima M. Ulteriori analisi del genoma e del proteoma hanno identificato i geni e gli enzimi per le seguenti reazioni, decifrando così la via metabolica completa.

Ad oggi, Fondamentale è stata soprattutto la ricerca sull'ossidazione anaerobica dell'etano. Ma facendo un passo in più, i risultati dei ricercatori potrebbero essere utili anche per applicazioni industriali. "Ora siamo consapevoli dei meccanismi alla base della degradazione degli idrocarburi a catena corta da parte delle 'alchil'-CoM reduttasi, e assumiamo che le reazioni inverse possano essere fattibili. Se dimostrato, questo significa biotecnologie per produrre idrocarburi utilizzando questi o simili microrganismi, " dice Musat. Questo potrebbe segnare l'inizio di nuove applicazioni biotecnologiche per produrre combustibili sintetici, come il butano ricco di energia, Per esempio. Il butano contiene più energia per litro e può essere liquefatto molto più facilmente del metano, un concetto che Florin Musat e il suo team terranno d'occhio per ricerche future.