Un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dall'Università del Michigan ha scoperto che alcuni batteri possono rubare un composto essenziale da altri microbi per abbattere il metano e il metilmercurio tossico nell'ambiente.

I risultati potrebbero informare strategie che mirano a manipolare questi microrganismi per ridurre le emissioni di metano, un potente gas serra, e disintossicare dal metilmercurio, una potente neurotossina che può accumularsi nella riserva alimentare.

Lo studio, pubblicato in Il Giornale ISME , hanno scoperto che alcune classi di metanotrofi o batteri che consumano metano che in precedenza si pensava non fossero in grado di degradare il metilmercurio possono effettivamente scomponerlo nell'ambiente. Questa attività è possibile perché i microbi sono dotati del macchinario cellulare per assorbire e utilizzare un composto chiamato metanobactina prodotto da altri microbi.

I metanotrofi sono molto diffusi in natura. Vivono vicino alle interfacce metano e aria, come lo strato più superficiale dei suoli, sedimenti fluviali e zone umide dove possono accedere all'ossigeno nutrendosi del metano che risale dall'anossico, o carenti di ossigeno, ambienti sottostanti.

Questi batteri svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo del carbonio, consumando notevoli quantità di metano generato da altri microbi chiamati metanogeni. Questo contrappeso naturale è importante per limitare le emissioni di metano, che sono 25 volte più potenti dell'anidride carbonica nel riscaldamento dell'atmosfera terrestre.

Capire di più sul modo in cui funzionano gli alimentatori di metano può indicare metodi per usarli come leve per controllare le emissioni di metano. La nuova conoscenza può anche informare meglio i modelli climatici che predicono il futuro del pianeta.

I ricercatori hanno scoperto questi nuovi comportamenti metanotrofi mentre studiavano un altro problema globale:l'inquinamento da mercurio. ORNL ha una lunga storia di scoperte relative al mercurio, inclusa la loro scoperta nel 2013 dei geni che consentono ai microbi di trasformare il mercurio nella tossina metilmercurio.

Nel 2017, un team guidato dall'ORNL è stato il primo a dimostrare che alcuni metanotrofi possono abbattere il metilmercurio, un processo chiamato demetilazione. Le loro ultime scoperte si basano su quella scoperta, dimostrando che più metanotrofi di quanto precedentemente noto possono degradare il metilmercurio.

"Man mano che acquisiamo nuove conoscenze sulle attività metanotrofiche, potremmo essere in grado di manipolare più efficacemente queste comunità microbiche per ridurre le emissioni di metano e migliorare la disintossicazione dal mercurio nell'ambiente, " disse Baohua Gu, un borsista ORNL e biogeochimico.

Produttori e imbroglioni

I metanotrofi cercano il più facile, fornitura di cibo più rapida, con un obiettivo di composti a carbonio singolo come metano e metilmercurio, che hanno strutture chimiche simili. Questi microbi richiedono anche il rame per alimentare i loro processi metabolici. È questo bisogno di rame che può limitare l'attività metanotrofica, spingendo i microbi a cercare fonti di rame nell'ambiente usando molti metodi diversi.

Alcuni metanotrofi utilizzano una proteina di superficie per fissare il rame. Altri secernono un composto chiamato metanobactina, o MB, che si lega al rame nell'ambiente e facilita l'acquisizione del rame. Precedenti scoperte del team avevano dimostrato che solo i batteri con il meccanismo genetico e metabolico per produrre MB possono abbattere il metilmercurio.

Le ultime scoperte dei ricercatori dimostrano che alcuni metanotrofi che non producono MB possono disintossicare il metilmercurio utilizzando MB secreti da altri metanotrofi. In altre parole, lo rubano.

"Sono effettivamente ciò che chiamiamo imbroglioni, " ha detto il microbiologo Jeremy Semrau dell'Università del Michigan. "Questo è stato osservato prima, dove un microrganismo produce qualcosa che è di beneficio per la comunità in generale e altri lo rubano. Ciò consente ad alcuni metanotrofi di soddisfare i loro requisiti di rame".

Il team di ricerca ha anche dimostrato che il furto riuscito di MB richiede che i metanotrofi abbiano il gene, denominato mbnT, che consente la produzione di una proteina specifica chiamata trasportatore TonB. nome appropriato, questa proteina sposta MB e il rame associato nel microbo, consentendo la decomposizione del metilmercurio e del metano.

Gli scienziati della U-M hanno progettato un ceppo di metanotrofi senza il gene mbnT, e il team dell'ORNL ha analizzato il mercurio nei campioni. La rimozione del gene mbnT e della proteina trasportatrice in questi microbi ha effettivamente disabilitato la loro capacità di assorbire MB o disintossicare il metilmercurio.

Queste intuizioni potrebbero informare i percorsi futuri per affrontare l'inquinamento da mercurio nell'ambiente.

"Penso che sia una strategia meravigliosa andare avanti in cui potremmo essere in grado di utilizzare i metanotrofi per aiutare a riparare i siti contaminati da mercurio, e che questo potrebbe effettivamente succedere, in una certa misura, naturalmente, " Disse Semrau.

Un altro pezzo del puzzle

I metanotrofi sono comuni nell'ambiente, ma c'è ancora molto da imparare sulle loro attività. Un team guidato dallo scienziato ambientale dell'ORNL Scott Brooks ha collaborato con il gruppo di Semrau all'UM alla scoperta di diversi nuovi metanotrofi a East Fork Poplar Creek, un ruscello contaminato da mercurio che scorre attraverso la riserva di Oak Ridge che è stato studiato per decenni.

Brooks e il suo team hanno studiato i biofilm, che sono complesse comunità di alghe e batteri che si accumulano sulle rocce del torrente come "melma verde". Sebbene i biofilm abbiano lo spessore di poche carte di credito impilate, sono punti caldi per la lavorazione del mercurio e dei nutrienti.

Il team dell'ORNL aveva precedentemente scoperto che le tasche carenti di ossigeno all'interno di questi biofilm ospitano microbi che stanno trasformando il mercurio nella sua forma più tossica:il metilmercurio. La loro recente scoperta di metanotrofi nei recessi ricchi di ossigeno di questi stessi biofilm significa che anche la degradazione del metilmercurio avviene naturalmente nel torrente.

"Ci sono alcuni gradienti chimici davvero ripidi e cambiamenti di concentrazione che si verificano su una distanza molto piccola, " ha detto Brooks. Ciò include l'ossigeno disciolto che "scompare entro pochi decimi di millimetro".

Quelle minuscole sacche di ossigeno sono sufficienti per far prosperare i metanotrofi. L'analisi preliminare ha mostrato che l'attività microbica che produce metilmercurio ha superato l'attività metanotrofica che abbatte la tossina. Con ulteriori studi, gli scienziati potrebbero potenzialmente identificare metodi per ribaltare l'equilibrio verso la degradazione del metilmercurio.

"Questo è un bel matrimonio di due diversi progetti di ricerca che lavorano in parallelo, " Brooks ha detto. "Stiamo vedendo cose che sono coerenti tra loro e che ci aiuta a confermare ciò che sta accadendo con il ciclo del mercurio in queste complesse comunità microbiche".