El robot perfora piezas del tamaño de una cabeza de alfiler de una capa gelatinosa. Las bandas azules estrechas contienen proteínas de un cultivo bacteriano. A continuación, las proteínas en las piezas de microgel se clasificarán con más detalle. Crédito: Universidad de Oldenburg/Mohsen Asanimgham

Una comprensión integral del metabolismo permite predecir el crecimiento de un microbio ambiental crítico.

Un grupo dirigido por el profesor Ralph Rabos, microbiólogo de la Universidad de Oldenburg y Ph.D. El estudiante Patrick Baker ha logrado avances significativos en la comprensión de los procesos celulares de bacterias ambientales generalizadas. El equipo realizó un análisis exhaustivo de toda la red metabólica de la cepa bacteriana. aromatolio aromatico hijo 1^t Los resultados se utilizaron para construir un modelo metabólico que les permita predecir el crecimiento de estos microbios en diferentes condiciones ambientales.

Según su informe en la revista mSystemsLos investigadores han descubierto mecanismos sorprendentes que permiten que las bacterias se adapten a las condiciones ambientales fluctuantes. Estos hallazgos son cruciales para el estudio de los ecosistemas, donde aromatóleo La cepa, como representante de un gran grupo de bacterias ambientales, puede funcionar como un organismo modelo. Los hallazgos también podrían tener implicaciones para la limpieza de sitios contaminados y aplicaciones biotecnológicas.

La cepa bacteriana estudiada está especializada en el uso de materia orgánica de difícil descomposición y que se encuentra generalmente en suelos y sedimentos acuáticos. Los microbios prosperan en una variedad de condiciones, incluidos los estratos anóxicos, anóxicos y con poco oxígeno, y son extremadamente versátiles en términos de ingesta de nutrientes. Metaboliza más de 40 compuestos orgánicos diferentes, incluidas sustancias altamente estables y naturales, como componentes de lignina, materiales estructurales clave que se encuentran en la madera, contaminantes de larga duración y componentes del petróleo.

Doctor. El estudiante Patrick Baker obtuvo una comprensión integral del metabolismo de las bacterias. aromatolio aromatico A través de rigurosos estudios de laboratorio. Crédito: Universidad de Oldenburg

Un microbio con habilidades especiales.

En particular, las sustancias con un anillo de benceno de seis átomos de carbono, conocidas como compuestos aromáticos, pueden ser biodegradadas por estos microbios, con o sin la ayuda de oxígeno. Debido a estas capacidades, aromatóleo Desempeña un papel ambiental importante en la descomposición completa de compuestos orgánicos en suelos y sedimentos en dióxido de carbono, un proceso que también es útil en la remediación biológica del suelo.

El objetivo del estudio actual era obtener una comprensión completa del funcionamiento de este organismo unicelular. Con este fin, los investigadores cultivaron los microbios en condiciones óxicas y anóxicas, es decir, con o sin oxígeno, utilizando cinco sustratos de nutrientes diferentes. Para cada una de estas 10 condiciones de crecimiento diferentes, cultivaron 25 cultivos y luego seleccionaron las diferentes muestras usando métodos de biología molecular (término técnico: poliómica) que permiten el análisis simultáneo de todos los genes transcritos en una célula, todas las proteínas producidas y todos los sus productos metabólicos.

bacterias aromatolio aromatico EbN1T (delineado en negro, en la parte inferior) interactúa con el entorno biótico y abiótico de varias maneras: los aportes humanos, la actividad de otros microorganismos y los procesos en la naturaleza generan diferente materia orgánica (puntos de diferentes colores), que las bacterias utilizan como alimento. Al mismo tiempo, estas sustancias también son utilizadas por otros microorganismos (competencia alimentaria). La red metabólica dentro de la célula bacteriana convierte y descompone sustancias a través de varias vías (izquierda). La célula, a su vez, produce materiales de construcción como ADN, proteínas y compuestos de azúcar o lípidos (derecha), que necesita para crecer. Dependiendo de las condiciones ambientales, la célula obtiene energía con la ayuda de oxígeno o nitrato (NO3-), que se muestra en el extremo izquierdo de la imagen. Crédito: Ralph Rabos y Patrick Becker/Universidad de Oldenburg

Un enfoque de biología de sistemas

“Con este enfoque de biología de sistemas, puede obtener una comprensión profunda de todo el funcionamiento interno de un organismo”, explica Rabos, quien dirige el Grupo de Investigación de Microbiología General y Molecular en el Instituto de Química y Biología del Medio Marino (ICBM). «Se separan las bacterias en sus componentes individuales y luego se pueden volver a unir, en un modelo que predice qué tan rápido crecerá un cultivo y cuánta biomasa producirá».

A través de su cuidadoso trabajo, los investigadores obtuvieron una comprensión integral de las interacciones metabólicas de esta cepa bacteriana. Descubrieron que alrededor de 200 genes están involucrados en los procesos de degradación e identificaron enzimas que descomponen los aditivos como nutrientes ya través de los cuales se degradan varios nutrientes. Los científicos incorporaron sus hallazgos sobre la red metabólica en un modelo de crecimiento y demostraron que las predicciones del modelo eran en gran medida consistentes con los datos medidos.

«Ahora podemos describir el organismo con un nivel de precisión que hasta ahora solo ha sido posible con muy pocas bacterias», dice Rabos. Esta visión integral del funcionamiento celular interno de las bacterias forma la base para una mejor comprensión de las interacciones entre la cepa analizada (y las bacterias relacionadas) y su entorno biótico y abiótico, agrega, y también podría ayudar a los científicos a predecir mejor la actividad de estos. bacterias organismos unicelulares en suelo contaminado y así, por ejemplo, determinar las condiciones óptimas para la remediación de un sitio contaminado.

Desperdicio repentino de energía

Al combinar diferentes métodos, el equipo pudo descubrir mecanismos inesperados en el metabolismo de estas bacterias. Para sorpresa de los investigadores, resulta que el microbio produce muchas enzimas que no pueden utilizar en las condiciones de crecimiento dadas, lo que a primera vista podría parecer un gasto de energía redundante. «Por lo general, las células bacterianas detectan si el oxígeno está presente en su entorno y luego, a través de mecanismos específicos, activan solo la ruta metabólica específica de nutrientes con las enzimas correspondientes», explica Rabos.

Pero con algunos sustratos, el microbio produjo todas las enzimas para las vías de glucólisis aeróbica y anaeróbica independientemente de los niveles de oxígeno, aunque algunas de estas enzimas eran completamente innecesarias. Rapos sospecha que este aparente desperdicio es en realidad una estrategia de supervivencia en un entorno inestable: «Incluso si los niveles de oxígeno fluctúan repentinamente, lo que suele ocurrir en entornos naturales, aromatóleo Se mantiene flexible y puede utilizar estos nutrientes y producir energía según sea necesario”, explica el microbiólogo, y agrega que, hasta la fecha, no se conoce ninguna otra bacteria que utilice ese mecanismo.

Referencia: “Biología de los sistemas de catabolismo aromático en anaerobios facultativos aromatolio aromatico hijo 1^tPor Patrick Baker, Sarah Kirsten, Daniel Wunsch, Julia Kobletz, Ramona Buchen, Lars Wallebrand, Boyky Bank y Ralph Rabos 29 de noviembre de 2022, disponible aquí. mSystems.
DOI: 10.1128/msystems.00685-22