Anaerobic oxidation of propane by thermophilic archaea from marine hydrothermal sediments
Questo studio identifica *Candidatus* Syntrophoarchaeum caldarium come il primo archeon capace di ossidare il propano in modo anaerobico in sintrofia con un batterio solfato-riduttore, elucidando i meccanismi enzimatici specifici e le vie metaboliche coinvolte in questo processo.
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Profondamente sotto il fondale oceanico, nei sedimenti ardenti e bui dove l'acqua calda incontra la roccia fredda, la vita trova un modo per respirare senza ossigeno. In questi ambienti estremi, vasti serbatoi di gas naturale risalgono verso l'alto dalla crosta terrestre. Questo gas non è solo metano; contiene quantità significative di propano, una molecola a tre atomi di carbonio che è un componente principale del combustibile che usiamo nelle nostre case. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che certi batteri potevano scomporre questo propano in assenza di ossigeno, usando il solfato dell'acqua marina per alimentare il processo. Tuttavia, un tassello fondamentale del puzzle mancava. Sebbene i ricercatori avessero scoperto di recente che antichi organismi unicellulari chiamati archei potevano consumare altre piccole molecole di gas come etano e butano, nessuno aveva mai trovato un archeo capace di consumare il propano. Questa lacuna aveva lasciato un punto cieco nella nostra comprensione di come il carbonio circoli attraverso la terra profonda e di quanto di questo potente gas serra venga rimosso naturalmente prima di raggiungere l'atmosfera.
Un team di ricercatori ha ora colmato quel vuoto, identificando un tipo specifico di archeo amante del calore che prospera sul propano. La scoperta è iniziata con una coltura di microbi originariamente cresciuti per mangiare il butano, raccolti dal Bacino di Guaymas, un campo di sorgenti idrotermali nel Golfo di California. Quando gli scienziati hanno sostituito la fonte di cibo dal butano al propano, la comunità di microbi è cambiata drasticamente. L'organismo dominante, un batterio che aveva mangiato il butano, è scomparso. Al suo posto, un diverso archeo, meno comune, ha preso il sopravvento, crescendo in stretti ammassi microscopici con un batterio partner. Questa nuova coltura, che i ricercatori hanno chiamato Propane50, ha dimostrato che questo specifico archeo poteva non solo sopravvivere con il propano, ma poteva anche usarlo come unica fonte di energia e carbonio, guidando una reazione chimica che converte il solfato in solfuro.
L'organismo al centro di questo processo è una specie candidata chiamata Candidatus Syntrophoarchaeum caldarium. Non lavora da solo. Forma un partenariato simbiotico con un batterio riduttore del solfato chiamato Candidatus Desulfofervidus auxilii. In questa disposizione, l'archeo scompone il propano, ma non può smaltire gli elettroni in eccesso che risultano da questa scomposizione. Passa questi elettroni direttamente al suo partner batterico, che li usa per ridurre il solfato in solfuro. Questo scambio è così efficiente che i due organismi crescono insieme in densi aggregati visibili. I ricercatori hanno confermato che l'archeo è colui che compie il lavoro pesante della scomposizione del propano, mentre il batterio agisce come il necessario pozzo di elettroni, permettendo alla reazione di continuare.
Per capire esattamente come questo minuscolo organismo mangia il propano, gli scienziati hanno guardato dentro le cellule. Hanno scoperto che l'archeo attiva la molecola di propano attaccandovi una specifica molecola ausiliaria, creando un composto chiamato propil-coenzima M. Questo passaggio è il primo movimento critico che rende il propano vulnerabile a un'ulteriore scomposizione. I ricercatori hanno identificato un complesso enzimatico specifico, che hanno chiamato ACR1, che esegue questo attacco. Interessante è che il genoma dell'archeo contiene istruzioni per quattro diverse versioni di questo enzima, ma solo ACR1 viene prodotto attivamente in grandi quantità quando l'organismo sta mangiando il propano. Ciò suggerisce che ACR1 sia lo strumento specializzato per il compito, capace di gestire la molecola di propano a tre atomi di carbonio con alta efficienza.
Una volta attivato, l'archeo converte il propano in una forma che può essere completamente bruciata fino ad anidride carbonica. Il percorso prevede la trasformazione del derivato del propano in una molecola chiamata propionil-CoA, e poi la sua riorganizzazione in acetil-CoA, un combustibile centrale per molte forme di vita. Infine, l'organismo utilizza una via metabolica ben nota, la via inversa di Wood-Ljungdahl, per ossidare completamente questo combustibile, rilasciando energia e anidride carbonica. L'intero processo è una sofisticata catena di montaggio a più fasi che permette alla vita di prosperare in condizioni che sarebbero tossiche per la maggior parte degli altri organismi.
Questa scoperta cambia il modo in cui vediamo il ciclo del carbonio sotterraneo. Dimostra che gli archei non sono limitati al consumo di metano o di alcani a catena pari come etano e butano; possono anche affrontare molecole a catena dispari come il propano. Questa scoperta suggerisce che questi microrganismi svolgono un ruolo molto più grande nella pulizia delle fuoriuscite naturali di gas di quanto precedentemente ipotizzato. Poiché il modo in cui questi archei scompongono il propano lascia un'impronta chimica diversa rispetto al modo in cui lo fanno i batteri, gli scienziati possono ora usare questa conoscenza per interpretare meglio la composizione dei gas trovati nei serbatoi profondi. Il lavoro rivela uno strato nascosto di attività biologica nella terra profonda, mostrando che anche nei sedimenti più caldi e anossici, la vita si è evoluta con strumenti specializzati per consumare proprio i gas che alimentano il nostro mondo moderno.
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