Methanosarcina

Methanosarcina é un xénero de microorganismos arqueanos euriarqueotas produtores de metano (arqueas metanóxenas). Estes microorganismos son os únicos coñecidos que son metanóxenos anaeróbicos e producen metano utilizando tres vías metabólicas para a súa metanoxénese. Viven en diversos ambientes nos que poidan permanecer a salvo dos efectos do oxíxeno, xa sexa na superficie da Terra, en augas subterráneas, en fontes termais mariñas profundas, ou mesmo no tracto dixestivo de animais. Methanosarcina crece formando colonias de células agrupadas.
O aminoácido pirrolisina descubriuse na especies Methanosarcina barkeri. Atopáronse versións primitivas da hemoglobina en M. acetivorans, o que indica que este microbio ou un devanceiro seu puido ter xogado un importante papel na evolución da vida na Terra. Algunhas especies de Methanosarcina teñen xenomas infrecuentemente grandes. De feito, M. acetivorans ten o xenoma máis grande coñecido nunha arquea.
Segundo unha teoría publicada en 2014, Methanosarcina puide ser en boa medida responsable do peor episodio de extinción na historia da Terra, que foi a extinción permo-triásica, sobre a que hai varias teoría explicativas. A teoría suxire que a adquisición dunha nova vía metabólica por medio de transferencia de xenes causou unha reprodución expoñencial do microbio, que consumiu rapidamente enormes depósitos de carbono orgánico dos sedimentos mariños, orixinando unha rápida acumulación de metano e dióxido de carbono nos océanos da Terra e na atmosfera, que matou o 90% das especies do mundo.
Methanosarcina leva utilizándose no tratamento de augas residuais desde mediados da década de 1980. Atopáronse tamén maneiras de utilizala como unha fonte de enerxía alternativa. Introdución
Methanosarcina é o único xénero de metanóxenos anaeróbicos que producen metano utilizando tres vías metabólicas para a metanoxénese. A maioría dos metanóxenos producen metano a partir de dióxido de carbono e gas hidróxeno. Outros utilizan acetato na vía acetoclástica. Ademais destas dúas vías, as especies de Methanosarcina poden tamén metabolizar compostos dun carbono metilados por medio da metanoxénese metilotrófica. Entre estes compostos dun carbono están as metilaminas, o metanol, e os metil tiois.
As Methanosarcina son os metanóxenos máis diversos existentes en canto á súa ecoloxía. Encóntranse en ambientes como vertedoiros de lixo, restos procedentes de augas residuais, fontes termais submarinas profundas, auga freática profunda, e no tracto dixestivo de moitos ungulados, como vacas, ovellas, cabras e cervos. Tamén se atoparon no tracto dixestivo humano. M. barkeri pode soportar flutuacións extremas de temperatura e a falta de auga durante longos períodos. Poden consumir diversos compostos ou sobrevivir só con hidróxeno e dióxido de carbono. Poden tamén resistir pHs baixos, que normalmente serían incompatibles coa vida. Dada a súa enorme versatilidade, o biólogo Kevin Sowers postulou que M. barkeri podería mesmo sobreivir en Marte. Methanosarcina crece formando colonias e presenta unha forma primitiva de diferenciación celular.
En 2002, investigadores da Universidade de Ohio descubriron o aminoácido pirrolisina en M. barkeri. Unha investigación previa feita por este equipo determinara que un xene de M. barkeri tiña un codón ámbar (UAG) en pauta que non indicaba o final da proteína, como normalmente se esperaría. Isto suxería a posibilidade de que houbese algún aminoácido descoñecido codificado por ese codón, o cal foi confirmado nos seguintes anos ao cortar a proteína en péptidos e secuencialos. A pirrolisina foi o primeiro aminoácido que se descubría desde 1986, e o 22º en total. Posteriormente, encontrouse noutras especies de arqueas da familia Methanosarcinaceae e nunha soa bacteria, a Desulfitobacterium hafniense.
M. acetivorans e M. mazei teñen xenomas excepcionalmente longos. En 2008, comprobouse que M. acetivorans posuía o xenoma arqueano máis grande coñecido con 5751492 pares de bases. O xenoma de M. mazei ten 4096345 pares de bases.
As membranas celulares de Methanosarcina están formadas por lípidos relativamente curtos, principalmente lípidos hidrocarbonados de 25 carbonos e éteres de 20 carbonos. A maioría dos outros metanóxenos teñen lípidos hidrocarbonados de 30 carbonos e unha mestura de éteres de 20 e 40 carbonos. Posible papel no desenvolvemento inicial da vida na Terra
En 2004, descubríronse dúas versións primitivas da hemoglobina en M. acetivorans e outra arquea, Aeropyrum pernix. Denominadas protoglobinas, estas globinas únense ao oxíxeno igual que a hemoglobina. En M. acetivorans, isto permite retirar o oxíxeno, que sería tóxico para estes organismos anaeróbicos. As protoglobinas puideron crear así unha vía para a evolución de formas de vida posteriores, que dependen do oxíxeno. Despois do evento da grande oxixenación ocorrido na Terra primitiva, unha vez que xa había oxíxeno libre na atmosfera, a capacidade de procesar o oxíxeno levou a unha gran radiación evolutiva da vida, e é un dos estados fundamentais da evolución das formas de vida da Terra.
Inspirándose nas propiedades de M. acetivorans, o equipo de investigadores liderado por James G. Ferry e Christopher House propuxo unha nova "teoría termodinámica da evolución" en 2006. Ao observaren que M. acetivorans converte o monóxido de carbono en acetato, hipotetizaron que as primeiras "proto-células" adheridas a minerais poderían ter usado de forma similar encimas primitivos para xerar enerxía mentres excretaban acetato. A teoría trata de unificar a teoría "heterotrófica" da evolución inicial na Terra, na que un caldo primordial de moléculas simples se orixinou a partir de procesos non biolóxicos, coa "teoría quimioautotrófica", na que as primeiras formas de vida crearon as moléculas máis simples. Os autores indican que aínda que o "debate entre as teorías heterotrófica e quimiotrófica xira arredor da fixación do carbono", en realidade "estas vías evolucionaron primeiro para producir enerxía. Posteriormente, evolucionaron para fixar carbono. " Propuxeron tamén mecanismos para explicar como as proto-células unidas a minerais se converteron en células de vida libre e a evolución do metabolismo do acetato a metano, utilizando as mesmas vías baseadas na produción de enerxía. Especulan que M. acetivorans foi unha das primeiras formas de vida que apareceu na Terra, un descendente directo das primeiras proto-células. Posible papel na extinción permo–triásica
En 2012, presentouse a hipótese de que a produción de metano polas Methanosarcina puido ter causado o evento de extinción do Permiano-Triásico, no cal se estima que desapareceu o 90% dos seres vivos da Terra. Neste estudo fixéronse análises xenéticas duns 50 xenomas de Methanosarcina, nas que se concluíu que este microbio probablemente adquiriu a capacidade de consumir eficientemente acetato utilizando unha acetato quinase e unha fosfoacetil transferase aproximadamente hai uns 240 ± 41 millóns de anos, que é aproximadamente a época en que se produciu o evento de extinción de hai 252 millóns de anos. Os xenes destes encimas puideron terse adquirido dunha bacteria que degradaba a celulosa por transferencia de xenes.
Os científicos concluíron que estes novos xenes, combinados cos abundantes depósitos dispoñibles de carbono orgánico nos sedimentos oceánicos e unha abundancia de níquel, fixeron que as poboacións de Methanosarcina se incrementasen drasticamente. Nesta teoría, isto tería orixinado a liberación dun abundante metano residual. Despois, parte do metano sería degradado a dióxido de carbono por outros organismos. A acumulación destes dous gases tería causado que os niveis de oxíxeno nos océanos se reducisen enormemente, á vez que se incrementaba a acidez. Os climas terrestres experimentarían simultaneamente un aumento de temperaturas e un cambio climático significativo pola liberación á atmosfera destes gases de efecto invernadoiro. É posible que a acumulación de metano e dióxido de carbono na atmosfera finalmente causase a liberación do gas sulfuro de hidróxeno, o que sometería a un maior estrés a vida na Terra.
As teorías que explican a extinción permo-triásica presentadas anteriormente son a da actividade volcánica en Siberia, a dos cambios climáticos globais, e a do impacto dun asteroide. A teoría dos microbios, que implica a Methanosarcina, segundo os seus propoñentes, explicaría mellor o incremento rápido e continuo de certos isótopos do carbono observado en depósitos sedimentarios dese período, que a teoría da actividade volcánica, a cal, ao contrario, tería causado un pico agudo deses isótopos seguido dun lento declive. A teoría dos microbios suxire que a actividade volcánica xogou un diferente papel no proceso: subministrou o níquel que precisa Methanosarcina como cofactor. Así, a teoría dos microbios sostén que a actividade volcánica en Siberia foi un catalizador, pero non a causa directa principal da extinción en masa. Aplicacións
En 1985, Shimizu Construction desenvolveu un biorreactor que utiliza Methanosarcina para tratar a auga residual procedente de plantas de procesamento de alimentos e fábricas de papel. A auga introdúcese no reactor onde os microbios degradan as partículas de residuos. O metano producido polos microorganismos utilízase despois como fonte de enerxía para o biorreactor, facendo que funcione de forma barata. En probas realizadas, Methanosarcina reducía a concentración de lixo de 5. 000–10. 000 partes por millón (ppm) a 80–100 ppm. Era necesario un tratamento ulterior para acabar co proceso de limpeza. Segundo un informe de 1994 publicado en Chemistry and Industry, os biorreactores que utilizaban a dixestión anaeróbica feita por Methanothrix soehngenii ou Methanosarcina producían menos lodos como subproduto que outros sistemas aeróbicos similares. Os reactores de Methanosarcina traballan a temperaturas entre 35 e 55 °C e pHs entre 6, 5 e 7, 5.
As capacidades de Methanosarcina para producir metano foron utilizadas máis amplamente como fonte de enerxía. En 2010, investigadores da Universidade de Arkansas empalmaron un xene en M. acetivorans que lle permitía degradar ésteres, o que podería permitir converter máis eficientemente a biomasa en gas metano para a produción de enerxía. En 2011, demostrouse que a maioría do metano producido durante a descomposición en vertedoiros de lixo procede do xerado por M. barkeri. Este microbio pode sobrevivir en ambientes de baixos pHs e consome ácidos, o que eleva o pH e permite que prospere unha maior variedade de seres vivos.