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Nov 06, 2023

Approfondimenti su un microbo "caldo" che può crescere sull'azoto producendo metano

November 22, 2022 by

22 novembre 2022

dalla Società Max Planck

Gli scienziati dell'Istituto Max Planck di microbiologia marina sono riusciti con successo a potenziare la coltivazione di un microrganismo in grado di fissare l'azoto (N2) producendo metano (CH4) e ammoniaca (NH3) e hanno studiato dettagli interessanti del suo metabolismo.

Il carbonio e l'azoto sono elementi essenziali della vita. Alcuni organismi occupano posizioni chiave per il ciclo di entrambi, tra cui Methanothermococcus termolitotrofico. Dietro il nome complicato si nasconde un microbo complicato. M. termolitotrofico è un metanogeno marino amante del calore.

Vive nei sedimenti oceanici, dalle coste sabbiose e paludi salate fino al mare profondo, preferibilmente a temperature intorno ai 65 °C. È in grado di trasformare l'azoto (N2) e l'anidride carbonica (CO2) in ammoniaca (NH3) e metano (CH4) utilizzando idrogeno (H2). Entrambi i prodotti, ammoniaca e metano, sono molto interessanti per applicazioni biotecnologiche nella produzione di fertilizzanti e biocarburanti.

Tristan Wagner e Nevena Maslać dell'Istituto Max Planck di microbiologia marina sono ora riusciti a far crescere questo microbo in un fermentatore: un'impresa impegnativa.

"È molto complicato fornire le condizioni perfette affinché questo microbo possa prosperare fissando l'N2: alte temperature, assenza di ossigeno e tenendo d'occhio i livelli di idrogeno e anidride carbonica", afferma Maslać, che ha svolto la ricerca nell'ambito del suo dottorato di ricerca. D. progetto. "Ma con un po' di ingegno e perseveranza, siamo riusciti a farli prosperare nel nostro laboratorio e a raggiungere le densità cellulari più elevate riportate finora."

Una volta che le colture sono state avviate e funzionanti, gli scienziati sono stati in grado di studiare in dettaglio la fisiologia del microbo e in seguito approfondire il loro studio osservando come il metabolismo del microbo si adatta alla fissazione dell'N2. "In stretta collaborazione con i nostri colleghi Chandni Sidhu e Hanno Teeling, abbiamo combinato test fisiologici e trascrittomica differenziale, che ci hanno permesso di scavare più a fondo nel metabolismo del M. termolitotrofico", spiega Maslać.

Le capacità metaboliche del M. termolitotrofico sono sconcertanti: questi microbi utilizzano la metanogenesi, un metabolismo che ha avuto origine sulla Terra anossica primordiale, per acquisire la loro energia cellulare. Rispetto agli esseri umani che utilizzano l’ossigeno per trasformare il glucosio in anidride carbonica, i metanogeni ottengono solo una quantità molto limitata di energia dalla metanogenesi. Paradossalmente, fissare l’azoto richiede enormi quantità di energia, che li esaurirebbero.

"Sono un po' come i calabroni, che teoricamente sono troppo pesanti per volare, ma ovviamente lo fanno comunque", afferma l'autore senior Tristan Wagner, leader del gruppo di ricerca sul metabolismo microbico del Max Planck Research Group. "Nonostante tale limitazione energetica, si è scoperto che questi affascinanti microbi sono anche i principali fissatori di azoto in alcuni ambienti."

L'enzima che gli organismi utilizzano per fissare l'azoto è chiamato azotosi. Le nitratosi più comuni richiedono il molibdeno per eseguire la reazione. La nitratosi di molibdeno è ben studiata nei batteri che vivono come simbionti nelle radici delle piante. La loro nitrogenasi può essere inibita dal tungstato.

Sorprendentemente, gli scienziati di Brema hanno scoperto che il M. termolitotrofico non viene disturbato dal tungstato mentre cresce su N2. "Il nostro microbo dipendeva solo dal molibdeno per fissare l'N2 e non era infastidito dal tungstato, il che implica un adattamento dei sistemi di acquisizione del metallo, rendendolo ancora più robusto per diverse potenziali applicazioni", afferma Maslać.

La fissazione dell'azoto, ovvero l'ottenimento di azoto dall'N2, è il processo principale per inserire l'azoto nel ciclo biologico. Per la produzione di fertilizzanti industriali questo processo viene eseguito tramite il processo Haber-Bosch, che fissa artificialmente l'azoto per produrre ammoniaca con idrogeno ad alte temperature e pressioni. Viene utilizzato per produrre la maggior parte dell'ammoniaca mondiale, un fertilizzante essenziale per sostenere l'agricoltura globale.