Arquéias oxidadoras de amônia (Seminário final de Ecologia Microbiana [Usp])
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Transcript of Arquéias oxidadoras de amônia (Seminário final de Ecologia Microbiana [Usp])
Archaea Oxidadoras de Amônia
Leandro Nascimento Lemos
Thiago Nepomuceno Silva
Vanessa Feitosa Viana da Silva
• Maioria das Archaea são extremófilas, com espécies capazes de crescer em altas temperaturas, salinidades e condições de pH extremas para muitos micro-organismos.
Archaea
Archaea
Archaea
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Parede celular de Archaea
Pseudomureína
Polímeros de glicose
Ácido glucorônico
Ácido galactosamina urônica
Acetato
Camada de superfície paracristalina
Descobertas
1999 Descoberta do processo de Oxidação anaeróbia da amônia.
Oxidação da Amônia
• Acreditava-se que somente as bactérias eram responsáveis por esse processo
Beta e gamma-proteobactérias
AOB- ammonia-oxidizing bacteria
Archaea oxidadoras de amônia
2005 Descrição da primeira Archaea oxidante de amônia. Oxidação aeróbia da amônia nitrito (NO2
-)
História da descoberta de AOA
Estudo da diversidade bacteriana num sistema de reator nitrificante e sedimento de rio:
Amplificação do gene 16S rRNA bacteriano falhou.
Amplificação do gene 16S rRNA de um grupo de Archaea marinha (grupo 1 marinho: crenarchaeota).
Então, essa população fortemente associada ao grupo 1 de crenarchaeota foi implicada na oxidação da amônia.
• Após uma série de experimentos a primeira cultura pura foi obtida Nitrosopumilus maritimus
• Pequeno organismo marinho;
• Archaea marinha planctônica;
• Importância biogeoquímica das Archaea marinhas
Mistério Sequenciamento de metagenomas de organismos marinhos
Archaea oxidadora de amônia
Diversidade filogenética
• Subsequentes análises do gene 16S rRNA: • Revelou a presença do grupo 1 de Archaea distribuídos em
vários habitats coluna d ’ água marinha, estuários, sedimentos e solos.
• Ensaios em cultura significante fonte de carbono inorgânico em águas marinhas profundas e capacidade para assimilar material orgânico.
• Sequenciamento completo do genoma permitiu que alinhassem sequências concatenadas de proteínas ribossomais.
• Permitiu a criação de uma nova divisão dentro de Archaea.
• Compreende todas as Archaea oxidantes de amônia.
Thaumarchaeota: Uma nova divisão dentro de Archaea
Hábitats ocupados
• Análise do gene amoA
• Os hábitats ocupados por AOA excedem àqueles compreendidos por bactérias oxidadoras de amônia.
• Representante mesófilos e termófilos:
A existência de AOA termófila foi indicada pelo diagnóstico de crenarchaeol associado com o grupo 1 marinho e pela amplificação do homólogo de amoA de Archaea em fossas termais.
Fonte: paporecicladocomricardoinez.blogspot.com
(1-5% de todos os procariotos
Fonte: blogdogutemberg.blogspot.com
(20-40% bacterioplâncton marinho)
Fonte:noisnaniuzila.wordpress.com
Crescimento a temperaturas acima de 74°C
Fonte: covildokoiote.blogspot.com Fonte: impactosambientais.no.sapo.pt
Geotermal
Fonte: Microbiologia de Brock, 13° edição.
Ciclo do nitrogênio
Ciclo do nitrogênio
Fixação do nitrogênio
Amonificação
Nitrificação
Requer alta energia para clivar a ligação
N2 ou N2O Desnitrificação
Prejudicial na agricultura
Importante no tratamento de efluentes
Decomposição de compostos orgânicos nitrogenados
NH3 NO2- NO3
-
Anammox Oxidação anaeróbia NH3 + NO2- N2 bactérias (AOB)
Fisiologia
pH neutro Km NH3 = 3 nM
Km Afinidade
[NH3] > 1 mM
Nitrosopumilus maritimus
Oligotróficos extremos
Km (NH3+NH4+) = 132
nM
1 NH3 + 1.5 O2 1 NO2−+ H2O + H+
= AOB
Reação de oxidação da NH3
Afinidade por NH3
>50% de atividade máxima
1 Könneke, et al.,2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon. Nature 437:543-546.
200mM NH4
+
NH4OH
Nitrososphaera gargensis
Fisiologia
Km AOB
200x Km N.
maritimus
Afinidade NH3 = 69.000 L/gh
MAIOR AFINIDADE DE UM MICRO- ORGANISMO POR UM SUBSTRATRO
Fisiologia
AOA Oligotróficas extremas
Populações marinhas [NH3] nM
NH3 AOB
Competição
Afinidade por O2
N. maritimus Micro-organismo Aeróbios (~4μM)
=
AOA NO2-
Oxidadoras de NH3 anaeróbicas
Zonas com O2
Afinidade O2 maior
AOA de solo
Poucos dados fisiológicos cultura recentemente
Nitrososphaera viennensis
[NH3] N. maritimus
Capaz de iniciar o crescimento em concentrações > 10mM
Nitrito 3mM Crescimento Metabólito ou Intermediário
É observado in situ AOA cresce em várias [NH3] AOB [NH3] inicial
Concentração total de NH3/NH4+ 7 mg NH3-N/L (pH 8)
= 100 mg N total/L 0.0007 mg NH3-N/L (pH 4)
AOA Acidófila
Nitrosotalea devanaterra • 1º oxidador de NH3 acidófilo
• Encontrado em solos ácidos
• pH ótimo 4 a 5
• Taxas de nitrificação solos ácidos
AOB
NH4+ é o substrato
NH3 é o substrato 1 un de pH 10x NH3
Fisiologia
Esta preferência, ou requisito, de NH4+ pode ser verdade
para populações marinhas
Valor de meia saturação = 100mM
NH4+
[NH3] = 1-3 mM pH 7
N. maritimus
Catabolismo (oxidação) de NH3
Anabolismo (assimilação)
≠
Solo
taxas de nitrificação
Estudos moleculares (amoA)
abundância e atividade
nitrificadores
AOB AOA
Competição
Sistemas altas adicões diretas de NH3
inorgânico
Sistemas Mineralização
AOA AOB
Competição
Afinidade NH3
Fisiologia
Quimioautotróficos e oligotróficos extremos
Elemento-chave Nitrificação
Taxa de oxidação da NH3
Limita a velocidade da nitrificação
Interações tróficas Ciclo do
nitrogênio
Função chave
NO2– + NH3 2 N2
Fisiologia
Archaea
Altas Temp. pH ácido Baixa [NH3]
Ciclo do N totalmente funcional
Nº maior de
habitats
Fisiologia
Se compete eficazmente
Oceanos AOA
Fito
plâ
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Het
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fico
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totr
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AOA P
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Mic
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Solos
Então, a assimilação da NH3 é uma via de menor importância para o metabolismo de NH3 através da
mineralização da matéria orgânica
Fisiologia
• Assim, AOA deve forçar outros grupos a investir no poder de redução de NO3
-/NO2- NH3 para a
biossíntese.
• A resolução assimilação vs oxidação da NH3 é de grande importância para um melhor entendimento dos controles dos micro-organismos da forma de nitrogênio e disponibilidade associada a micro e macrobiota em ambos os sistemas marítimos e terrestres.
Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?
• Nitrososphaera gargensis e Nitrososphaera viennensis usam CO2 como única fonte de C.
• Foram encontrados genes relacionados com assimilação autotrófica de carbono.
• Estudos com CO2 com 13C encontrados na Archaea.
• Alguns AOA usam compostos orgânicos porém outros são inibidos.
• Captação de aminoácidos por Archaea planctônicas.
• Estudos com isótopos em comunidades do oceano Atlântico também indica esta captação de aminoácidos.
Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?
Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?
• Aumento no crescimento de N. viennensis em cultura com adição de piruvato.
• Genes do CAC foram encontrados em N. maritimus como transportadores de aminoácidos,
dipeptídeos/oligopeptídeo.
Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
Três diferenças principais nos sistemas de oxidação da amônia e na fixação do carbono:
•Cobre é o principal metal redox ativo (mais que o ferro); •Ausência de qualquer homólogo de oxirredutases bacterianas (hydroxylamine oxireductase, HAO) responsáveis pela oxidação da hidroxilamina em nitrito; •Variações no Ciclo do Carbono.
Genômica comparativa
• Oxidação da amônia em bactérias (e.g., Nitrosomonas europaea); • Amônia é oxidada em NH2OH pelo complexo enzimático AMO (genes amoC, amoA e amoB) • Hidroxilamina é oxidada em Nitrito no periplasma.
Bioquímica
Bioquímica
Intermediário no processo oxidativo: •Hydroxylamine:
• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • (1) bacterial type;
Bioquímica
• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • NO, produzido pela redução do nitrito, na presença de CuNIR, seria o "gerador" de elétrons.
Bioquímica
• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO;
• (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO;
• (3) Presença de HNO;
Bioquímica
Bioquímica
• Análises genômicas: Via metabólica única para oxidação do NH3, sendo o Cobre (Cu) o maior metal redox ativo; • O produto da oxidação do NH3 não parece ser NH2OH, ou alternativamente, Thaumarchaeota usam um sistema distinto para oxidação e transferência de elétrons de NH2OH; • Investigar o metabolismo de NH2OH em Nitrosopumilus maritimus;
Bioquímica
• Oxidação da Amônia NH3 em NO2- por N. maritimus via NH2OH; • NH2OH é produto da oxidação da amônia.
Genômica comparativa: ciclo celular
Genes homólogos aos presente nos sistemas CdvABC (eucariotos) e FtsZ (bactérias e outros grupos de arquéias);
• AOA apresentam ambos os sistemas; • Citometria de fluxo e imunoflorescência para analisar o ciclo
e divisão celular de N. maritimus;
Genômica comparativa: ciclo celular
•AOA apresentam ambos os sistemas; Expressão de CdvA, CdvB e CdvC estão associadas ao ciclo celular; •Sistema Cdv (ESCRT-III-like) em N. maritimus; •FtsZ (?): segregação e crescimento celular (?);
Genômica comparativa: ciclo celular
•Divisão celular lenta (15 - 18h): adaptação em ambientes com limitação extrema de nutrientes;
Química atmosférica
•Maior produção de (N20) em oceanos por AOA;
Obrigado!!!