Quando gli esseri umani hanno bassi livelli di ferro, tendono a sentirsi deboli, stanco e stordito. Questa fatica impedisce ai pazienti con anemia sideropenica di esercitare o di esercitare se stessi per risparmiare energia.

Allo stesso modo, in ambienti a basso contenuto di ferro, i microbi sopravvivono rallentando la lavorazione del carbonio ed estraendo il ferro dai minerali. Però, questa strategia richiede che i microbi investano preziose fonti di cibo nella produzione di composti che dissolvono i minerali. Dato questo paradosso, i ricercatori volevano capire come i microbi sostengono le strategie di sopravvivenza in ambienti con troppo poco ferro per prosperare.

Il ferro è fondamentale per il metabolismo del carbonio perché è richiesto dalle proteine ​​coinvolte nella lavorazione del carbonio. Ma poiché l'ossigeno rende il ferro solubile meno abbondante nell'ambiente, i batteri spesso operano in condizioni di limitazione del ferro e devono arrestare o ridurre drasticamente l'assunzione di carbonio.

Guardando un gruppo di batteri dal suolo, i ricercatori della Northwestern University hanno scoperto che questi organismi superano i limiti nei loro macchinari per la lavorazione del carbonio deviando le loro vie metaboliche per favorire la produzione di composti che eliminano il ferro. Lo studio è il primo ad utilizzare la metabolomica, una tecnica ad alta risoluzione per monitorare il flusso di carbonio nelle cellule, studiare l'impatto del ferro sul ciclo del carbonio nelle cellule batteriche.

Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Ludmilla Aristilde, professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering, ha condotto la ricerca. Il suo gruppo di ricerca si concentra sulla comprensione dei processi ambientali che coinvolgono sostanze organiche, con implicazioni per la salute dell'ecosistema, produttività agricola e biotecnologie ambientali.

All'interno della rete del metabolismo nei batteri, il ciclo dell'acido citrico fornisce gli scheletri di carbonio necessari per produrre composti che eliminano il ferro. Il metabolismo di alcune fonti di carbonio genera carbonio e carburante migliori dal ciclo dell'acido citrico. I batteri affamati di ferro favoriscono la trasformazione del carbonio attraverso il ciclo dell'acido citrico per produrre più composti che eliminano il ferro. Aristilde ha affermato che questa scoperta è significativa perché la ricerca rivela che i nutrienti inorganici possono avere un impatto diretto sui processi organici.

"La gerarchia nel metabolismo del carbonio evidenzia che la selettività nell'uso specifico del carbonio è fortemente legata a qualcosa che è inorganico, " Aristilde ha detto. "Per mettere questo nel contesto del cambiamento climatico, dobbiamo capire quali condizioni controllano il ciclo del carbonio nel suolo e il suo contributo all'anidride carbonica".

Concentrandosi sulle specie Pseudomonas nei suoli, il gruppo di ricerca è stato in grado di fare inferenze su altre specie. I batteri Pseudomonas esistono anche come patogeni umani e vegetali, nel nostro intestino e altrove nell'ambiente. Aristilde spera che, poiché i batteri che lei e i suoi ricercatori hanno scelto di studiare sono così onnipresenti, la ricerca futura sarà in grado di utilizzare i risultati del suo gruppo come una tabella di marcia.

La ricerca passata ha studiato il comportamento degli organismi con una risoluzione inferiore delle informazioni. Mentre gli scienziati hanno utilizzato la genomica per prevedere cosa può accadere nel metabolismo delle specie sulla base dell'identificazione e della misurazione dei geni, il laboratorio Aristilde utilizza la metabolomica della specie per catturare ciò che sta effettivamente accadendo nel metabolismo. La loro ricerca fornisce indizi che implicano che molti altri organismi e sistemi potrebbero impiegare strategie metaboliche simili.

In qualità di ingegnere ambientale, Aristilde ha affermato che la sua area di studio riguarda la comprensione dei meccanismi e la creazione di previsioni su come si comportano i processi ambientali come il ciclo del carbonio. Oltre il ciclo del carbonio e il cambiamento climatico, lo studio ha anche implicazioni sulla salute delle piante e dell'uomo. Comprendere come i batteri che causano le inflessioni modificano il metabolismo del carbonio per competere per il ferro nelle piante o negli ospiti umani può consentire ai ricercatori di progettare meglio i trattamenti mirati.