Arricchimento e caratterizzazione di un ossido nitrico

Mar 06, 2024

Nature Microbiology volume 8, pagine 1574–1586 (2023)Citare questo articolo

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L’ossido nitrico (NO) è una molecola altamente reattiva e clima-attiva e un intermedio chiave nel ciclo microbico dell’azoto. Nonostante il suo ruolo nell’evoluzione della denitrificazione e della respirazione aerobica, l’elevato potenziale redox e la capacità di sostenere la crescita microbica, la nostra comprensione dei microrganismi che riducono l’NO rimane limitata a causa dell’assenza di colture microbiche che riducono l’NO ottenute direttamente dall’ambiente utilizzando l’NO come sostanza substrato. Qui, utilizzando un bioreattore continuo e una fornitura costante di NO come unico accettore di elettroni, abbiamo arricchito e caratterizzato una comunità microbica dominata da due microrganismi precedentemente sconosciuti che crescono a concentrazioni nanomolari di NO e sopravvivono a quantità elevate (>6 µM) di questo gas tossico , riducendolo a N2 con una produzione minima o non rilevabile del protossido di azoto del gas serra. Questi risultati forniscono informazioni sulla fisiologia dei microrganismi che riducono l’NO, che hanno ruoli chiave nel controllo dei gas attivi sul clima, nella rimozione dei rifiuti e nell’evoluzione della respirazione di nitrati e ossigeno.

L'ossido nitrico (NO) è una molecola fortemente ossidante con importanti funzioni nella biologia cellulare e nella chimica dell'atmosfera. Nell'atmosfera, l'NO contribuisce all'inquinamento atmosferico in quanto precursore del potente gas serra protossido di azoto (N2O), alla produzione di piogge acide e alla riduzione dello strato di ozono1,2. Nella biologia cellulare, l'NO si diffonde facilmente attraverso le membrane cellulari e reagisce rapidamente con altri radicali liberi e con i metalli di transizione3, rendendolo altamente tossico per la vita microbica4,5. Le proprietà fisico-chimiche dell’NO lo rendono anche una preziosa molecola di segnalazione6 e un intermedio chiave nel turnover delle specie di azoto inorganico7, evidenziando che i microrganismi hanno sviluppato strategie non solo per rilevare e disintossicare l’NO ma anche per respirarlo in modo molto efficace5,8,9.

Infatti, sulla Terra primordiale, molto prima dell'inizio della fotosintesi ossigenata, l'NO prodotto attraverso i fulmini e il vulcanismo era il più potente ossidante disponibile per la vita (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1.173 V (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\), potenziale del punto medio standard)10,11,12. Di conseguenza, si ipotizza che, prima dell’emergere della respirazione aerobica, l’NO abbia svolto un ruolo chiave nel guidare l’evoluzione di un percorso bioenergetico correlato alla moderna denitrificazione12, in cui le ancestrali NO reduttasi (NOR) fungevano da precursori per le ossidasi terminali successivamente utilizzate nella respirazione aerobica13,14,15. Ciò suggerisce che un’ampia varietà di microrganismi in grado di raccogliere energia dalla riduzione di NO, indipendentemente dalla sua tossicità, deve essersi evoluta nelle prime fasi della storia della vita sul nostro pianeta.

Nel moderno ciclo dell’azoto, l’NO è un intermedio chiave negli unici due processi che rilasciano N2 nell’atmosfera: l’ossidazione anaerobica dell’ammonio (anammox) e la denitrificazione7. Durante l'anammox, i batteri del phylum Planctomycetes riducono il nitrito (NO2−) in NO, che viene poi utilizzato per attivare l'ammonio in idrazina in assenza di ossigeno16. Nella denitrificazione, l'NO viene trasformato durante la riduzione graduale del nitrato (NO3−) in N2 (NO3− → NO2− → NO → N2O → N2) da un'ampia varietà di microrganismi diffusi in tutto l'albero della vita17. A differenza di anammox, la denitrificazione può essere completata individualmente da singoli microrganismi o, in alternativa, da consorzi di diversi microrganismi, dove ciascun microrganismo esegue una o più delle distinte reazioni di riduzione dell'N-ossido (equazioni (1)–(4)) . In linea con ciò, una varietà di microrganismi che riducono l'N-ossido sono stati isolati utilizzando NO3− e gli intermedi di denitrificazione NO2− e N2O, ma non NO 18,19. Tuttavia è stata dimostrata la crescita microbica direttamente su questo substrato; ad esempio, è stato dimostrato che i batteri anammox crescono direttamente su NO e ammonio in assenza di NO2− (rif. 8) e è stato suggerito che i microrganismi denitrificanti aumentano la loro biomassa quando alimentati con NO in condizioni diverse20,21,22. Tuttavia, le informazioni sulla crescita dei microrganismi denitrificanti sull’NO sono scarse e le nostre conoscenze sulla fisiologia della riduzione dell’NO, sia come reazione autonoma che come parte del processo di denitrificazione, si basano su colture che non sono state ottenute utilizzando l’NO e sono tipicamente limitato all'inibizione e agli effetti tossici dell'NO sulle cellule5.