Scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e dell'Ohio State University hanno scoperto un nuovo percorso microbico che produce etilene, fornendo una via potenziale per la bioproduzione di un componente comune della plastica, adesivi, refrigeranti e altri prodotti di uso quotidiano.

La scoperta, pubblicato in Scienza , getta luce su un antico mistero su come viene prodotto l'etilene in condizioni anaerobiche, o privi di ossigeno, suoli e indica potenziali percorsi per prevenire danni alle colture da alti livelli di etilene. Lo studio delinea anche un modo precedentemente sconosciuto in cui i batteri generano metano, un potente gas serra.

Il team di ricerca ha scoperto che etilene e metano sono sottoprodotti di un processo batterico che produce metionina, un amminoacido necessario per la costruzione delle proteine. Quando il loro ambiente è anaerobico e povero di zolfo, i batteri sono costretti a eliminare lo zolfo dai prodotti di scarto cellulari, innescando questo nuovo percorso.

"Da circa un decennio, i ricercatori hanno studiato la produzione biologica di etilene attraverso un diverso meccanismo che avviene in ambienti ossigenati, "ha detto il ricercatore dello stato dell'Ohio Justin North. "C'è un ostacolo tecnico per aumentare quel processo poiché etilene e ossigeno miscelati su scala industriale potrebbero essere esplosivi. Questo nuovo percorso anaerobico elimina questo ostacolo, ma c'è ancora del lavoro da fare per ampliarlo".

La ricerca è iniziata nello stato dell'Ohio, dove Robert Tabita conduce uno studio in corso sulla fissazione del carbonio e sul metabolismo dell'azoto e dello zolfo nei batteri fotosintetici. Come parte della squadra di Tabita, Nord ha deciso di misurare i gas consumati ed emessi da Rhodospirillum rubrum e altri microbi della stessa famiglia quando erano affamati di zolfo. Fu sorpreso di rilevare l'etilene.

"Sappiamo che questi batteri producono idrogeno e consumano anidride carbonica, "North ha detto. "Ma, guarda ed ecco, stavano producendo abbondanti quantità di gas etilene. E abbiamo pensato, bene, quello è strano."

North ei suoi colleghi dello stato dell'Ohio hanno studiato questo nuovo processo metabolico utilizzando composti radioattivi per tracciare i precursori e la produzione di metionina ed etilene nei microbi. Ma era necessario un diverso tipo di biotecnologia analitica per creare il collegamento critico tra il percorso e le proteine ​​chiamate enzimi che lo guidano.

Tabita ha contattato Bob Hettich, che guida il gruppo di spettrometria di massa biologica all'ORNL, per un'analisi comparativa della raccolta di proteine, chiamati proteomi, presente in questi batteri fotosintetici in due diversi scenari:basso contenuto di zolfo, condizioni di produzione di etilene e alto contenuto di zolfo, condizioni di non produzione di etilene. Il gruppo di Hettich ha sviluppato un approccio all'avanguardia per caratterizzare i proteomi dei sistemi microbici utilizzando la spettrometria di massa, una tecnica che misura accuratamente le masse e i percorsi di frammentazione di diverse molecole e fornisce dettagli su struttura e composizione. Hettich e Weili Xiong, un ricercatore postdottorato ORNL, ha identificato migliaia di proteine ​​dai sistemi a basso e alto contenuto di zolfo e ha analizzato le loro abbondanze comparative per individuare una manciata di proteine ​​per un'ulteriore caratterizzazione.

"Abbiamo riscontrato notevoli differenze, " Ha detto Hettich. I dati hanno mostrato una famiglia di proteine ​​​​simili alla nitrogenasi che erano quasi 50 volte più abbondanti nel basso contenuto di zolfo, campioni che producono etilene. Anche alcune proteine ​​legate al ferro e allo zolfo aumentavano in abbondanza quando lo zolfo scarseggiava, indicando una possibile nuova via per il metabolismo dello zolfo.

Questi dati sono stati sorprendenti poiché le proteine ​​simili alla nitrogenasi sono raggruppate in annotazioni geniche con le nitrogenasi che hanno sequenze di DNA simili e sono note per convertire l'azoto atmosferico in ammoniaca. Questo processo di fissazione dell'azoto è essenziale per la vita sulla terra ed è stato ampiamente studiato. Dato il loro nome, queste proteine ​​simili alla nitrogenasi non sono quelle che gli scienziati avrebbero supposto svolgessero un ruolo nel metabolismo dello zolfo.

"A volte la denominazione o l'annotazione di un gene o di una famiglia di geni può essere fuorviante, " Ha detto Hettich. "Il nome suggerisce una funzione primaria. Infatti, il gene potrebbe avere una funzione secondaria, un lavoro notturno per così dire, o potrebbe effettivamente fare qualcosa di completamente diverso."

"Ma i dati sono i dati, " ha continuato. "Se esegui le misurazioni correttamente e in modo agnostico dove non conosci la risposta a priori , poi i dati riveleranno le vere connessioni."

Con questi dati cruciali sul proteoma, I ricercatori e i colleghi dello Stato dell'Ohio della Colorado State University e del Pacific Northwest National Laboratory hanno condotto una serie di esperimenti manipolando il genoma batterico per includere o rimuovere il cluster di geni Rru_A0793-Rru_A0796. La rimozione e la sostituzione del gene hanno disattivato e attivato la produzione di etilene come un interruttore, confermando che i geni e l'enzima risultante per cui codificano sono essenziali per questa via metabolica.

Gli enzimi simili alla nitrogenasi scindono i legami carbonio-zolfo per ridurre il 2-(metiltio)etanolo in un precursore per la produzione di metionina. Questo percorso produce etilene come sottoprodotto. Il team di ricerca ha scoperto che se la fonte di zolfo viene cambiata in dimetil solfuro, il più abbondante composto organico volatile di zolfo, i batteri lo usano nella loro via della metionina e producono metano come sottoprodotto.

Oltre a un potenziale mezzo biologico per la produzione di etilene per l'uso in materie plastiche e altri prodotti industriali, questi risultati potrebbero informare i trattamenti per le colture in zone impregnate d'acqua, suoli anaerobici per prevenire danni da una sovrabbondanza di etilene. Nelle giuste quantità, l'etilene è un importante ormone vegetale che aiuta le piante a crescere, sviluppano foglie e radici e maturano i frutti. Questo studio crea una serie di nuove domande scientifiche, compreso se questo percorso è coinvolto nelle interazioni tra piante e microbi.

"È molto eccitante che questa scoperta stia portando a nuove linee di indagine che potrebbero effettivamente avere dei benefici sostanziali anche per le colture agricole e di altro tipo, " ha detto Nord.