Enriquecimento e caracterização de um óxido nítrico

Mar 06, 2024

Nature Microbiology volume 8, páginas 1574–1586 (2023)Cite este artigo

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O óxido nítrico (NO) é uma molécula altamente reativa e ativa no clima e um intermediário chave no ciclo microbiano do nitrogênio. Apesar de seu papel na evolução da desnitrificação e da respiração aeróbica, do alto potencial redox e da capacidade de sustentar o crescimento microbiano, nossa compreensão dos microrganismos redutores de NO permanece limitada devido à ausência de culturas microbianas redutoras de NO obtidas diretamente do ambiente usando NO como um substrato. Aqui, usando um biorreator contínuo e um fornecimento constante de NO como único aceptor de elétrons, enriquecemos e caracterizamos uma comunidade microbiana dominada por dois microrganismos até então desconhecidos que crescem em concentrações nanomolares de NO e sobrevivem a grandes quantidades (> 6 µM) deste gás tóxico. , reduzindo-o a N2 com pouca ou nenhuma produção detectável do gás de efeito estufa óxido nitroso. Esses resultados fornecem informações sobre a fisiologia dos microrganismos redutores de NO, que desempenham papéis fundamentais no controle de gases climáticos ativos, na remoção de resíduos e na evolução da respiração de nitrato e oxigênio.

O óxido nítrico (NO) é uma molécula fortemente oxidante com funções importantes na biologia celular e na química atmosférica. Na atmosfera, o NO contribui para a poluição do ar como precursor do potente gás de efeito estufa óxido nitroso (N2O), produção de chuva ácida e destruição da camada de ozônio1,2. Na biologia celular, o NO se difunde facilmente através das membranas celulares e reage rapidamente com outros radicais livres e com metais de transição3, tornando-o altamente tóxico para a vida microbiana4,5. As propriedades físico-químicas do NO também o tornam uma valiosa molécula sinalizadora6 e um intermediário chave na renovação de espécies inorgânicas de nitrogênio7, destacando que os microrganismos desenvolveram estratégias não apenas para detectar e desintoxicar o NO, mas também para respirá-lo de forma muito eficaz5,8,9.

Na verdade, na Terra primitiva, muito antes do início da fotossíntese oxigenada, o NO produzido através de raios e vulcanismo era o oxidante mais poderoso disponível para a vida (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1,173 V (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\), potencial de ponto médio padrão)10,11,12. Consequentemente, levanta-se a hipótese de que, antes do surgimento da respiração aeróbica, o NO desempenhou um papel fundamental na condução da evolução de uma via bioenergética relacionada à desnitrificação moderna, na qual as ancestrais redutases do NO (NOR) serviram como precursoras das oxidases terminais posteriormente utilizadas. na respiração aeróbica13,14,15. Isto sugere que uma grande diversidade de microrganismos capazes de colher energia a partir da redução do NO, independentemente da sua toxicidade, deve ter evoluído no início da história da vida no nosso planeta.

No ciclo moderno do nitrogênio, o NO é um intermediário chave nos únicos dois processos que liberam N2 para a atmosfera: oxidação anaeróbica do amônio (anammox) e desnitrificação7. Durante o anammox, as bactérias do filo Planctomycetes reduzem o nitrito (NO2-) a NO, que é então usado para ativar o amônio em hidrazina na ausência de oxigênio . Na desnitrificação, o NO é revertido durante a redução gradual do nitrato (NO3-) em N2 (NO3- → NO2- → NO → N2O → N2) por uma vasta diversidade de microrganismos que estão espalhados por toda a árvore da vida . Em contraste com o anammox, a desnitrificação pode ser completada individualmente por microrganismos únicos ou, alternativamente, por consórcios de diversos microrganismos, com cada microrganismo realizando uma ou mais das distintas reações de redução de N-óxido (equações (1)–(4)) . Em consonância com isso, uma variedade de microrganismos redutores de N-óxido foram isolados usando NO3- e os intermediários de desnitrificação NO2- e N2O, mas não NO 18,19. Contudo, foi demonstrado o crescimento microbiano directamente neste substrato; por exemplo, foi demonstrado que bactérias anammox crescem diretamente em NO e amônio na ausência de NO2- (ref. 8), e foi sugerido que microrganismos desnitrificantes aumentassem sua biomassa quando alimentados com NO sob diferentes condições . Ainda assim, as informações sobre o crescimento de microrganismos desnitrificantes no NO são escassas, e nosso conhecimento sobre a fisiologia da redução do NO, seja como uma reação autônoma ou como parte do processo de desnitrificação, é baseado em culturas que não foram obtidas usando NO e são tipicamente limitado à inibição e aos efeitos tóxicos do NO nas células5.