Stepwise utilization of H2 between Geobacter sulfurreducens and Methanosarcina barkeri promoted CO2-to-CH4 conversion
L'instaurazione di una co-coltura sintrofica tra *Geobacter sulfurreducens* e *Methanosina barkeri* aumenta significativamente i tassi di conversione della CO₂ in CH₄ superando le limitazioni del trasferimento di massa attraverso l'utilizzo stepwise dell'H₂, l'upregulation delle vie metaboliche e il trasporto interspecifico di elettroni mediato da sostanze di tipo acido fulvico.
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Nella ricerca di un modo per pulire il nostro futuro energetico, gli scienziati stanno cercando modi per trasformare l'anidride carbonica di scarto in combustibile utile. Un metodo promettente prevede un processo chiamato biometanazione, in cui minuscoli organismi agiscono come fabbriche biologiche. Essi prendono l'anidride carbonica, un gas serra, e la combinano con l'idrogeno per creare metano, il componente principale del gas naturale. Questo è attraente perché l'idrogeno può essere prodotto dall'elettricità in eccesso generata dal vento o dall'energia solare, immagazzinando efficacemente l'energia rinnovabile in un gas che può essere bruciato o immesso nei gasdotto esistenti. Tuttavia, esiste un significativo collo di bottiglia in questo processo. L'idrogeno gassoso non si dissolve facilmente nell'acqua, e i microbi che svolgono il lavoro vivono in ambienti liquidi. Poiché il gas fatica a passare dalle bolle d'aria al liquido dove i microbi possano afferrarlo, l'intera reazione spesso procede troppo lentamente per essere pratica su larga scala.
Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'Università di Zhejiang hanno indagato una partnership tra due diversi tipi di vita microscopica: un batterio chiamato Geobacter sulfurreducens e un archeon chiamato Methanosarcina barkeri. Mentre M. barkeri è un noto produttore di metano che normalmente "mangia" l'idrogeno direttamente, gli scienziati si sono chiesti se l'aggiunta di G. sulfurreducens potesse aiutare ad accelerare le cose. Questo batterio è famoso per la sua capacità di spostare elettroni, agendo essenzialmente come un filo biologico. Il team si è posto l'obiettivo di vedere se questi due organismi potessero lavorare insieme per aggirare il lento passaggio della dissoluzione del gas nel liquido, creando efficacemente una scorciatoia per trasformare l'anidride carbonica in metano.
I ricercatori hanno mescolato i due organismi in contenitori sigillati riempiti con un brodo nutritivo e hanno poi fatto gorgogliare una miscela di idrogeno e anidride carbonica attraverso il liquido. Hanno confrontato questo gruppo misto con un gruppo di controllo contenente solo l'archeon produttore di metano. I risultati sono stati sorprendenti. La coltura mista ha consumato l'idrogeno gassoso molto più velocemente, esaurendolo in soli quattro giorni, mentre l'archeon da solo ha impiegato otto giorni per finire la stessa quantità. Questa accelerazione si è tradotta direttamente nella produzione di metano. La coltura mista ha prodotto metano a un ritmo di 0,158 millilitri per millilitro di idrogeno di feedstock al giorno, ovvero più di tre volte più velocemente rispetto all'archeon che lavorava da solo. Inoltre, la coltura mista ha iniziato a produrre gas prima e ha raggiunto la sua velocità massima quasi mezzo giorno prima rispetto al gruppo a singola specie.
Per capire come funzionasse questa partnership, il team ha esaminato da vicino le cellule e le sostanze chimiche che esse rilasciano. Utilizzando potenti microscopi, hanno visto i due tipi di cellule vivere in stretta prossimità, suggerendo una fitta connessione fisica. Hanno anche analizzato le sostanze appiccicose, note come polimeri extracellulari, che i microbi secernono per proteggersi e comunicare. Nella coltura mista, queste sostanze contenevano livelli più elevati di specifici composti che agiscono come navette di elettroni. Questi composti, che somigliano alla materia organica naturale trovata nel suolo, possono raccogliere elettroni da un organismo e passarli a un altro. Questa scoperta ha suggerito che i batteri non stessero solo seduti l'uno accanto all'altro; stavano attivamente scambiando elettroni attraverso questi ponti chimici, permettendo all'archeon di ricevere l'energia di cui aveva bisogno per produrre metano senza dover aspettare che l'idrogeno gassoso si dissolvesse lentamente nell'acqua.
Scavando più a fondo, gli scienziati hanno esaminato le proteine all'interno delle cellule per vedere quali interruttori genetici fossero accesi o spenti. Nell'archeon, le proteine responsabili dell'ultimo passaggio della produzione di metano stavano lavorando più duramente del solito. Allo stesso tempo, il macchinario che di solito cattura l'idrogeno direttamente era meno attivo. Ciò indica che l'archeon non si stava affidando esclusivamente alla propria capacità di mangiare l'idrogeno. Invece, stava ricevendo elettroni dal batterio attraverso i ponti chimici. Il batterio, a sua volta, stava utilizzando i suoi enzimi specializzati nel consumo di idrogeno per scomporre l'idrogeno gassoso e trasmettere gli elettroni risultanti. Questa divisione del lavoro ha creato un sistema più efficiente in cui il batterio si occupava della difficile attività di catturare il gas, e l'archeon si concentrava sulla conversione dell'energia in metano.
Lo studio conclude che questa collaborazione biologica offre un modo sostenibile per superare i limiti fisici della dissoluzione dei gas in acqua. Lasciando che il batterio agisca come un ponte per consegnare direttamente gli elettroni al produttore di metano, il processo diventa significativamente più veloce ed efficiente. Sebbene i ricercatori abbiano notato che devono ancora imparare molto esattamente su come l'archeon riceva questi elettroni, le prove mostrano chiaramente che questo metodo di co-coltura aumenta la velocità di produzione del metano. Questo approccio potrebbe eventualmente aiutare a rendere il gas naturale rinnovabile un'opzione più praticabile per l'immagazzinamento di energia pulita e la riduzione delle emissioni di carbonio, trasformando una reazione chimica lenta e difficile in un rapido processo biologico.
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