Com uma participação de até dez por cento, o etano é o segundo componente mais comum do gás natural e está presente em profundos depósitos de gás terrestre e marinho em todo o mundo. Até agora, não ficou claro como o etano é degradado na ausência de oxigênio. Uma equipe de pesquisadores do Centro Helmholtz de Pesquisas Ambientais (UFZ) solucionou esse mistério, após mais de quinze anos de trabalho de pesquisa em cooperação com colegas do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha em Bremen. Em uma cultura microbiana obtida a partir de amostras de sedimentos do Golfo do México, os cientistas descobriram um archaeon que oxida o etano. O organismo unicelular foi denominado Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, que significa literalmente 'comedor de etano de crescimento lento'. Em um artigo agora publicado na revista Natureza , os pesquisadores descrevem a via metabólica da degradação do etano.

Os pesquisadores tiveram que demonstrar muita paciência para resolver o mistério da degradação anaeróbica de hidrocarbonetos saturados. Em 2002, O microbiologista da UFZ Dr. Florin Musat, que na época estava conduzindo pesquisas no Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, com sede em Bremen, recebeu uma amostra de sedimento proveniente do Golfo do México. A amostra foi coletada de infiltrações de gás natural em lâmina d'água de mais de 500 metros. Foram necessários mais de dez anos de esforço de cultivo para obter quantidades suficientes da cultura contendo o archaeon - como base para experimentos detalhados para decodificar a estrutura e o metabolismo da comunidade microbiana. Durante suas medições regulares, Florin Musat reconheceu que a oxidação do etano estava associada à redução do sulfato em sulfeto de hidrogênio. "Por muito tempo, pensamos que a degradação anaeróbia do etano era realizada por bactérias de forma semelhante à degradação do butano ou propano, mas não fomos capazes de identificar produtos metabólicos típicos para um mecanismo bacteriano de oxidação, "diz Musat.

Para descobrir os segredos da oxidação do etano, Musat, que trabalha na UFZ desde 2014, explorou as possibilidades oferecidas pela plataforma de tecnologia ProVIS. O Center for Chemical Microscopy (ProVIS) combina um grande número de grandes dispositivos, permitindo eficiente, análises químicas rápidas e sensíveis de amostras biológicas, estruturas e superfícies em escala nanométrica. Por exemplo, A equipe de Musat usou microscopia de fluorescência para mostrar que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans constitui a parte dominante da cultura em cerca de 65 por cento do número total de células, enquanto duas Deltaproteobactérias redutoras de sulfato constituem cerca de 30 por cento. Os metabólitos e proteínas foram caracterizados por técnicas de espectrometria de massa de alta resolução e a composição química e a organização espacial de microrganismos individuais foram determinadas por microscopia de íon de hélio e NanoSIMS. Usando esses métodos, os pesquisadores demonstraram que o archaeon é responsável pela oxidação do etano em dióxido de carbono, e as bactérias acompanhantes para reduzir o sulfato a sulfureto.

Além disso, eles observaram que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans não forma agregados com as bactérias parceiras durante a oxidação do etano, em contraste com as culturas que degradam o metano, propano ou butano. "O archaeon e os dois tipos de bactérias crescem principalmente como células livres. Conexões intercelulares por nanofios que mediariam a transferência de elétrons, como mostrado com outras culturas, estão faltando, "diz Musat. Por este motivo, uma questão interessante permanece:como Argoarchaeum e as bactérias interagem entre si? As análises do metagenoma revelaram que o archaeon não possui genes conhecidos para a redução do sulfato. Isso significa que os elétrons da oxidação do etano devem ser transferidos para as bactérias redutoras de sulfato. As investigações conduzidas pelo NanoSIMS sugeriram que esta transferência poderia ocorrer por meio de compostos de enxofre. "As arquéias ganham energia com a oxidação do etano em uma sintrofia obviamente complexa (comunidade de alimentadores cruzados) com seus parceiros redutores de sulfato, "diz Musat.

Em sua busca pelo mecanismo de transferência de elétrons, A equipe de Musat investigou a cultura usando um microscópio de íon-hélio. Esta análise levou a uma descoberta inesperada:Candidatus Argoarchaeum forma pequenas vesículas celulares, que permanecem presos em pequenos aglomerados incomuns, indicando que as archaea se dividem por brotamento.

Finalmente, no genoma de Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, os cientistas identificaram todos os genes necessários para uma enzima funcional semelhante à metil-coenzima M redutase, que catalisa a primeira etapa na degradação anaeróbia do etano. Usando espectrometria de massa de resolução ultra-alta, eles também foram capazes de encontrar o produto desta enzima, etil-coenzima M. Outras análises de genoma e proteoma identificaram os genes e enzimas para as seguintes reações, decifrando assim a via metabólica completa.

A data, a pesquisa sobre a oxidação anaeróbia do etano foi fundamentalmente fundamental. Mas dando um passo adiante, as descobertas dos pesquisadores também podem ser úteis para aplicações industriais. "Agora estamos cientes dos mecanismos subjacentes à degradação dos hidrocarbonetos de cadeia curta por 'alquil'-CoM redutases, e assumimos que as reações reversas podem ser viáveis. Se demonstrado, isso significa biotecnologias para produzir hidrocarbonetos usando esses ou microorganismos semelhantes, "diz Musat. Isso pode marcar o início de novas aplicações biotecnológicas para a produção de combustíveis sintéticos, como o butano rico em energia, por exemplo. O butano contém mais energia por litro e pode ser liquefeito com muito mais facilidade do que o metano - um conceito no qual Florin Musat e sua equipe ficarão de olho em pesquisas futuras.