Uma boa comunicação é fundamental para qualquer relacionamento, especialmente quando os parceiros são separados pela distância. Isso também vale para os micróbios no mar profundo que precisam trabalhar em conjunto para consumir grandes quantidades de metano liberadas a partir de aberturas no fundo do oceano. Trabalhos recentes em Caltech tem mostrado que esses parceiros microbianas ainda pode realizar essa tarefa, mesmo quando não estão em contato direto uns com os outros, usando elétrons para compartilhar energia em longas distâncias. Esta é a primeira vez que o transporte de electrões entre espécies directos-o movimento dos electrões a partir de uma célula, através do ambiente externo, a outra célula-tipo tem sido documentada em microrganismos na natureza.
"Nosso laboratório está interessado em comunidades microbianas no ambiente e, especificamente, a simbiose mutuamente benéfica-ou-relação entre os microorganismos que lhes permite catalisar reações que não seria capaz de fazer por conta própria", diz o professor de Geobiology Victoria Orphan , que liderou o estudo recente. Para as duas últimas décadas, o laboratório de Orphan centrou-se sobre a relação entre uma espécie de bactéria e uma espécie de archaea que vivem em agregados simbióticas, ou consórcios, no prazo de infiltrações de metano do fundo do mar. Os organismos trabalham juntos em syntrophy (que significa "alimentando juntos") para consumir até 80 por cento do metano emitido a partir do oceano chão metano que poderiam acabar contribuindo para a mudança climática como um gás de efeito estufa na nossa atmosfera.
Anteriormente, órfão e seus colegas contribuíram para a descoberta desta simbiose microbiana, uma parceria cooperativa entre archaea chamado methanotrophs-oxidante de metano anaeróbicas (ou "comedores de metano") e uma bactéria de redução de sulfato (organismos que podem "respirar" sulfato em vez de oxigénio ) que permite a estes organismos a consumir metano usando sulfato de água do mar. No entanto, não ficou claro como estas células compartilhar energia e interagir dentro da simbiose para executar esta tarefa.
Porque esses microrganismos crescem lentamente (reproduzindo apenas quatro vezes por ano) e viver em estreito contacto uns com os outros, tem sido difícil para os pesquisadores isolá-los do ambiente para cultivá-las em laboratório. Assim, a equipe Caltech usou um submersível de pesquisa, chamado Alvin, para coletar amostras contendo os consórcios microbianos-oxidante de metano do fundo do oceano de metano de fontes frias sedimentos e, em seguida, trouxe-os de volta para o laboratório para análise.
Os pesquisadores usaram diferentes manchas de ADN fluorescente para marcar os dois tipos de micróbios e ver a sua orientação espacial em consórcios. Em alguns consórcios, Órfão e seus colegas descobriram as células bacterianas e archaea eram bem misturados, enquanto em outros consórcios, as células do mesmo tipo foram agrupados em áreas separadas.
Órfão e sua equipe se perguntou se a variação na organização espacial das bactérias e archaea dentro desses consórcios influenciado a sua actividade celular e sua capacidade de consumir de forma cooperativa metano. Para descobrir, eles aplicaram um isótopo estável "tracer" para avaliar a atividade metabólica. A quantidade do isótopo absorvida pelas células e archaea bacterianas individuais dentro de suas microbianos "bairros" em cada consórcio foi então medida com um instrumento de alta resolução chamado espectrometria de massa de íons secundários nanoescala (NanoSIMS) no Caltech. Isso permitiu aos pesquisadores determinar quão ativa dos parceiros e archaea bacterianas foram em relação à sua distância um do outro.
Para sua surpresa, os pesquisadores descobriram que o arranjo espacial das células em consórcios não teve qualquer influência sobre a sua actividade. "Como se trata de uma relação microbiano, que teria pensado que as células com as bactérias são contactando directamente a onde a interface de archaea-ia ser mais ativo, mas nós realmente não vejo uma tendência óbvia. O que é realmente notável é que há são células que são muitos comprimentos celulares longe de seu parceiro mais próximo que ainda estão ativos ", diz Orphan.
Para descobrir como as bactérias e archaea eram parceiras, co-primeiros autores Grayson Chadwick (BS '11), um estudante de pós-graduação em geobiology no Caltech e um ex-pesquisador de graduação no laboratório de Orphan, e Shawn McGlynn, um ex-estudante de pós-doutorado, espacial empregado estatísticas para procurar padrões de atividade celular para vários consórcios com diferentes arranjos celulares. Eles descobriram que as populações de bactérias e archaea syntrophic em consórcio tinham níveis semelhantes de actividade metabólica; quando uma população teve alta atividade, os microorganismos parceiros associados também foram igualmente activa consistente com uma simbiose benéfica. No entanto, um olhar mais atento sobre a organização espacial das células revelou que nenhuma disposição particular dos dois tipos de organismos-se uniformemente dispersos ou em grupos separados, foi correlacionada com a atividade de uma célula.
Para determinar como essas interações metabólicas estavam ocorrendo mesmo em distâncias relativamente longas, pós-escolar e co-autor Chris Kempes, um visitante em computação e matemáticos ciências, modelado a relação prevista entre a atividade celular e distância entre parceiros syntrophic que são dependentes da difusão molecular de um substrato. Ele descobriu que metabolitos-moléculas convencionais anteriormente previsto para ser envolvidos neste syntrophic consumo de metano-como o hidrogénio, eram incompatíveis com os padrões de atividade espaciais observados nos dados. No entanto, os modelos revistos indicou que os elétrons provavelmente poderia fazer a viagem de célula para célula através de distâncias maiores.
"Chris veio com um modelo generalizado para o syntrophy-oxidação do metano com base em transferência eletrônica direta, e estes resultados foram um modelo melhor adequação aos nossos dados empíricos", diz Orphan. "Isto aponta para a possibilidade de que estas foram archaea transferência directa de electrões a partir de derivados de metano para o exterior da célula, e aqueles electrões eram transferidos directamente para as bactérias."
Guiados por esta informação, Chadwick e McGlynn procuraram evidência independente para apoiar a possibilidade de transferência eletrônica direta entre espécies. Bactérias cultivadas, tais como aqueles do género Geobacter, são organismos modelo para o processo de transferência directa de electrões. Estas bactérias utilizam grandes proteínas, chamadas citocromos multi-heme, na sua superfície exterior que atuam "fios" como condutores para o transporte de elétrons.
Usando a análise do genoma, juntamente com microscopia electrónica de transmissão e um corante que reage com esses multi-heme-citocromos os investigadores mostraram que estas proteínas condutoras também estavam presentes na superfície exterior do archaea eles estavam a estudar. E esta conclusão, Órfão diz, pode explicar por que o arranjo espacial dos parceiros syntrophic não parece afetar seu relacionamento ou atividade.
"É realmente um dos primeiros exemplos de transferência directa entre espécies de elétrons que ocorre entre os microrganismos não cultiváveis no ambiente. Nosso palpite é que este vai ser mais comum do que é atualmente reconhecido", diz ela.
Orphan constata que as informações que aprenderam sobre esse relacionamento vai ajudar a expandir como os pesquisadores pensam sobre as interações entre espécies microbianas na natureza. Além disso, a abordagem isótopo estável microescala utilizado no presente estudo podem ser utilizados para avaliar interespécies transporte de electrões e outras formas de simbiose microbiana que ocorrem no ambiente.
Estes resultados foram publicados em um estudo intitulado, "a atividade das células Único revela transferência eletrônica direta em consórcios metanotrófica." O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia Divisão de Investigação Biológica e Ambiental e Gordon e Betty Moore Foundation Initiative Microbiologia Marinha.
Os resultados foram publicados na edição de 16 de setembro da revista Nature.
O Galaxy diário via Jessica Stoller-Conrad / Caltech
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