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Cientistas descobrem microrganismo marinho que produz oxigênio sem fotossíntese


Organismos Archaea oxidadores de amônia (AOA) são um dos mais abundantes grupos de micróbios presentes nos oceanos, atuando de forma crucial no ciclo de nitrogênio. A energia para o metabolismo desses microrganismos, oriunda da oxidação de amônia, depende de oxigênio molecular (O2). Porém, apesar da necessidade de oxigênio, AOA são também abundantes em ambientes oceânicos profundos e escuros onde níveis de oxigênio são indetectáveis. Agora, em um estudo publicado no periódico Science Advances (1), pesquisadoras podem ter resolvido esse enigma ao demonstrar em laboratório que uma espécie de AOA (Nitrosopumilus maritimus) é capaz de produzir O2 mesmo na ausência de luz solar e de fotossíntese, algo raríssimo na natureza e via um caminho bioquímico antes nunca descrito. Em ambiente anóxico laboratorial, parte do oxigênio produzido pela N. maritimus era usada diretamente para a oxidação de amônia, enquanto outra parte acumulava no ambiente ao redor (provavelmente suportando outros membros AOA).


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Para microrganismos marinhos, existem inúmeras reações biológicas envolvidas na reciclagem de nutrientes e na geração de energia. De qualquer forma, disponibilidade de oxigênio é crucial para o metabolismo de várias espécies no ambiente marinho e terrestre, sendo fornecido principalmente por plantas, algas e cianobactérias através de fotossíntese (ou seja, naturalmente, na presença de luz solar) (!).


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Organismos unicelulares Archaea oxidadores de amônia (AOA) são muito abundantes nos oceanos - a ponto de constituírem 1 a cada 5 células em uma típica amostra de água marinha -, onde atuam de forma muito importante no ciclo de nitrogênio. Esses procariontes são conhecidos apenas de oxidar amônia em nitrito usando oxigênio, seguindo a seguinte reação simplificada: NH3 + 1,5 O2 → NO2- + H2O + H+. Esse oxigênio (O2) é assumido de ser oriundo exclusivamente do ambiente ao redor desses organismos. Porém, o grupo AOA é abundante também em ambientes com níveis muito baixos ou mesmo indetectáveis de oxigênio, como zonas marinhas de oxigênio-mínimo (OMZs). Nesse sentido, a atividade e persistência de AOA em tais ambientes é enigmática devido à natureza aeróbica desses organismos. 


Produção de oxigênio molecular em ambientes escuros e com ausência de fotossíntese é muito rara, com apenas três caminhos bioquímicos conhecidos até o momento - e nem sempre ligados diretamente ao metabolismo energético -, incluindo dismutação de cloreto durante respiração via perclorato/clorato (ClO2- → Cl- + O2), desintoxicação de espécies reativas de oxigênio (ex.: dismutação de água oxigenada, H2O2) e dismutação de óxido nítrico (2NO2- → 2NO → N2 + O2). Nesse cenário, pouquíssimos microrganismos são conhecidos de produzirem oxigênio sem luz solar.


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No novo estudo, pesquisadoras da Universidade do Sul da Dinamarca usaram sensores de oxigênio baseados em luminescência para explorar a fisiologia dos organismos AOA a concentrações nanomolares de oxigênio e de anoxia funcional (níveis de oxigênio abaixo da capacidade de detecção) como tipicamente encontradas em áreas de OMZ. Para esse fim, elas cresceram culturas com a espécie Nitrosopumilus maritimus, um típico e expressivo representante AOA. As culturas foram tratadas com gás argônio até a obtenção de um ambiente com níveis de oxigênio abaixo de 5µM, com o restante do oxigênio sendo consumido pelo N. maritimus através de continuada oxidação de amônia.



Para a surpresa das pesquisadoras, quando todo o oxigênio residual havia sido consumido pelas culturas, os níveis desse gás começaram a subir novamente. Uma série de experimentos similares renderam os mesmos resultados: quando oxigênio dissolvido inicialmente na água era consumido pelas células de N. maritimus nas culturas, os níveis de oxigênio voltavam imediatamente a aumentar (gráfico A). E quando nenhuma adição de oxigênio era feita após a depleção, esse gás continuava se acumulando ao longo de horas e alcançava níveis de 100-200 nM (gráfico A). Esse padrão mostrou-se reprodutível em múltiplas incubações realizadas ao longo de 2 anos. Quando controle biótico era usado (outros organismos) ou as culturas de N. maritimus eram eliminadas com a adição de cloreto mercúrico, a produção de oxigênio não mais era observada - excluindo-se a possibilidade de fontes abióticas de oxigênio ou algum tipo de contaminação no mesmo sentido.


Em outras palavras, as pesquisadoras provaram que o N. maritimus era capaz, de fato, de produzir limitada mas significativa quantidade de oxigênio molecular, permitindo-os continuarem metabolicamente ativos.


Buscando esclarecer a rota bioquímica para a produção de oxigênio pelo N. maritimus, os pesquisadores usaram  isótopos de nitrogênio em íons amônio (marcadores para a identificação de subprodutos durante a síntese intracelular de oxigênio), revelando uma série de reações transformando nitrito (NO2-), o produto metabólico final esperado, em óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O) e, eventualmente, dinitrogênio (gás N2), junto com oxigênio molecular (O2). Óxido nítrico parece ser um crucial intermediário na produção de O2 - mas distinta da síntese empregada por bactérias NC10 (dismutação de óxido nítrico).


Com base em vários experimentos, os pesquisadores sugeriram que a síntese endógena de oxigênio pelo N. maritimus envolve a reação global 2NO → N2O + 0.5O2, uma nova forma descrita de síntese biótica não-fotossintética de oxigênio e termodinamicamente favorável. Porém, para essa síntese incluir a produção observada de N2, seria necessário um redutor de N2O ainda desconhecido transcrito pelo genoma do N. maritimus. Aliás, o achado implica em uma potencialmente nova e ambientalmente significativa fonte biótica de gás nitrogênio.



Considerando a importância e abundância dos organismos AOA, se mais espécies além do N. maritimus forem capazes de produzir oxigênio em ambientes anóxicos, isso pode ter amplas implicações para a ecologia microbiana e ciclos biogeoquímicos nesses ambientes, incluindo a possibilidade de alguns produtores de oxigênio AOA estarem sustentando outras células microbianas aeróbicas de clados diversos nas zonas mais profundas e escuras dos oceanos.


REFERÊNCIA


Cientistas descobrem microrganismo marinho que produz oxigênio sem fotossíntese Cientistas descobrem microrganismo marinho que produz oxigênio sem fotossíntese Reviewed by Saber Atualizado on janeiro 14, 2022 Rating: 5

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