Organismos microscópicos conhecidos como extremófilos habitam alguns dos últimos lugares da Terra que você pode esperar encontrar vida, das pressões extremas do fundo do oceano ao congelamento das calotas polares. Compreender como esses micróbios sobrevivem interagindo com diferentes metais e gases está abrindo novos conhecimentos sobre os elementos da Terra e seus usos potenciais.

Um desses habitats extremos são os vulcões de lama - normalmente estruturas em forma de cone ou piscinas que descarregam lama borbulhante, bem como vapor e gases como metano e dióxido de carbono.

Mais de 1, 000 vulcões de lama, que são frequentemente associados às chamadas zonas de subducção, onde uma placa tectônica é forçada sob outra, e pode ser extremamente ácido, até agora foram encontrados em ou perto da terra.

Alguns pesquisadores estão procurando descobrir mais sobre as comunidades microbianas que esses vulcões de lama contêm e seu papel na ciclagem de gases e outros elementos, incluindo metano, hidrogênio, amônia e enxofre.

Na Itália, um projeto chamado VOLCANO investigou micróbios que vivem em poças de lama altamente ácidas na cratera do vulcão adormecido Solfatara perto de Nápoles e em uma ilha vulcânica ao norte da Sicília chamada Vulcano, que originalmente deu seu nome à palavra 'vulcão' e é famosa por seus banhos de lama e fontes termais.

Professor Huub Op den Camp, microbiologista da Radboud University em Nijmegen, Os Países Baixos, e investigador principal da VOLCANO, diz que os pesquisadores descobriram "por acaso" um terceiro local de exploração - a ilha vulcânica de Pantelleria, oeste da Sicília. Isso aconteceu quando eles encontraram outros pesquisadores que encontraram evidências moleculares sugerindo a gostosura de Pantelleria, o solo ácido continha bactérias relacionadas às das poças de lama e envolvidas na ciclagem dos mesmos gases.

Esses habitats, como uma fonte significativa do poderoso gás de efeito estufa metano, agora estão fornecendo pistas valiosas sobre as mudanças climáticas, além de ter aplicações potenciais em tecnologias verdes, como biocombustíveis e reciclagem de metais em dispositivos eletrônicos.

Elementos de terra rara

Uma das principais inspirações para VULCÃO estava ligada aos chamados elementos de terras raras (REEs), um grupo de 17 elementos metálicos quimicamente semelhantes que são de fato abundantes na crosta terrestre, apesar do nome.

Mais cedo, A equipe do Prof. Op den Camp descobriu que REEs eram uma parte essencial do metabolismo em Methylacidiphilum fumariolicum SolV, um micróbio que ama o ácido encontrado em um vulcão de lama Solfatara que pode viver em níveis extremos de pH abaixo de 1 e obtém sua energia do consumo - ou oxidação - do metano.

Foi a primeira vez que REEs foram identificados como uma condição para a vida em um organismo, após ser previamente considerado não envolvido em processos biológicos. Cério, o mais abundante de 15 REEs conhecido como lantanídeos, pareceu ser o primeiro a estimular o crescimento entre vários pesquisadores testados.

“Era um metal completamente desconhecido por estar ativo na vida. Descobrimos que há uma enzima (um catalisador biológico) nessas bactérias que contém esse metal como cofator, e sem este lantanídeo o organismo não pode funcionar, "disse o Prof. Op den Camp. Ele diz que a descoberta deles sobre REEs levou a um 'campo de pesquisa em expansão' sobre tais processos em extremófilos.

Também se tornou aparente que o uso de REEs entre bactérias em geral é muito mais comum do que se pensava anteriormente, inclusive em habitats de vulcões que não são de lama. A equipe do Prof. Op den Camp descobriu, por exemplo, que dois novos organismos oxidantes de metano dos sedimentos do Mar do Norte continham enzimas dependentes de lantanídeos, enquanto uma revisão que realizaram destacou o crescimento da pesquisa usando REEs para cultivar micróbios antes considerados não cultiváveis.

Além de descobrir como cultivar esses micróbios no laboratório, os resultados ajudam a descobrir novos. "Agora, mais e mais pessoas estão isolando bactérias que são estritamente dependentes de lantanídeos, "disse o Prof. Op den Camp.

Formulários

Tudo isso tem potencialmente muitos usos. Se pudermos aprender como isolar grandes quantidades desses elementos das bactérias, poderíamos usar esse conhecimento para extrair e reciclar metais de telefones celulares e outros dispositivos eletrônicos, que contêm REEs, como cério, lantânio e neodímio. Isso pode ser útil a longo prazo porque esses elementos são difíceis de minerar e extrair economicamente, além de ser finito.

Ser capaz de manipular lantanídeos também pode ajudar na produção de biogás ecologicamente correto, como metanol verde. Durante o cultivo de M. fumariolicum, os pesquisadores conseguiram produzir metanol a partir do metano, restringindo os lantanídeos como uma entrada que, de outra forma, ajudaria a transformar o metanol em formaldeído.

Enquanto isso, a equipe descobriu que a mesma bactéria pode limpar as pequenas quantidades de gás hidrogênio da atmosfera - onde está presente em apenas 0,5 partes por milhão de moléculas de gás - para usar como fonte de energia além do metano. O professor Op den Camp diz que a energia extra obtida do hidrogênio pode ajudar as bactérias a oxidar mais metano.

"Talvez ambos os metabolismos (de hidrogênio e metano) ajudem um ao outro também a capturar concentrações muito baixas desses gases, " ele disse, levantando questões sobre o quão longe eles podem ir na remoção de gases-traço da atmosfera.

Também reforça as evidências de que o metabolismo microbiano do hidrogênio molecular é muito mais comum do que se pensava originalmente, dando mais pistas sobre o ciclo do hidrogênio na Terra. Além disso, com o hidrogênio sendo explorado como um combustível verde chave do futuro, O prof. Op den Camp diz que isso poderia eventualmente ajudar a impulsionar uma 'economia de hidrogênio' se o gás puder ser isolado dos micróbios, revertendo a atividade da hidrogenase, a enzima comedora de hidrogênio da bactéria.

Sua equipe também calculou especulativamente se a bactéria poderia ser usada em filtros para reduzir o metano das vacas - os principais emissores do gás. Contudo, eles resolveram isso com a tecnologia atual, o tamanho do filtro teria que ser muito grande para ser viável.

E o Prof. Op den Camp também enfatiza que muitas aplicações para extremófilos de vulcões de lama podem estar muito longe, com desafios em aumentar tal atividade. "Você pode pensar em aplicativos, mas isso ainda está um pouco longe, "Ele disse." Também vai custar muito dinheiro para levar em grande escala. "

Mas embora muitos aplicativos possam demorar um pouco, O prof. Op den Camp diz que todas as pesquisas contribuem para melhorar gradualmente a compreensão dos ciclos de gás fundamentais na Terra que auxiliam nosso conhecimento do clima. “Este tipo de informação é importante para uma compreensão futura da ciclagem de elementos que influenciam o clima, " ele disse.

Esses habitats extremos também são úteis para estudar porque sua biodiversidade relativamente baixa os torna menos complexos do que outros ecossistemas, explica o Prof. Op den Camp - embora até isso possa ser menos simples do que se pensava originalmente. "Eles ainda trazem grandes surpresas, "disse ele." No solo Pantelleria, também encontramos bactérias produtoras de metano, que não esperávamos de forma alguma. "

Condiçoes difíceis

Dra. Anna Krüger, um consultor em engenharia genética na Autoridade para o Meio Ambiente, Clima, Energia e Agricultura em Hamburgo, Alemanha, realizou pesquisas sobre extremófilos em lugares como Vulcano. Ela diz que sua ex-equipe da Universidade de Tecnologia de Hamburgo ficou "surpresa" com a quantidade de grupos diferentes de espécies que eles puderam detectar sequenciando DNA de lugares como fontes termais e vulcões de lama.

Ela diz que as enzimas, ou 'extremozymes, "encontrados em tais micróbios são promissores devido à sua capacidade de resistir aos tipos de condições adversas frequentemente encontrados em processos industriais e têm o potencial de ajudar a desenvolver biocatalisadores para uso na vida cotidiana, como em detergentes de lavagem.

"A biotecnologia é um aspecto-chave para mudar nossa economia de uma comunidade baseada em petróleo consumidor de recursos para uma comunidade sustentável de base biológica, " ela adicionou.

Saber mais sobre, por exemplo, micróbios que gostam de calor extremo, ampliaria as oportunidades, diz o Dr. Krüger. "Acho que será um passo importante para analisar a dinâmica da comunidade e entender as interações metabólicas completas, "disse ela." Isso permitiria então o projeto de espécies extremas feitas sob medida para a produção de todos os tipos de produtos químicos, médicos, antibióticos e bioplásticos em temperaturas elevadas. "

Ela também apontou para uma enzima resistente ao calor originalmente isolada de bactérias nas fontes termais do Parque Nacional de Yellowstone que foi fundamental durante a pandemia de COVID-19. "Mais proeminente ainda é a Taq polimerase, que permitiu a reação em cadeia da polimerase (PCR), o padrão ouro de nossos testes atuais de SARS-CoV-2, " ela disse.

Professor Alexandre Soares Rosado, microbiologista ambiental da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia em Thuwal, Arábia Saudita, também vê organismos que precisaram se adaptar para prosperar em lugares onde a vida foi levada ao seu limite como uma promessa para aplicações em biotecnologia e desenvolvimento sustentável.

Ele vê os extremófilos como potencialmente fornecendo aplicações mais sustentáveis ​​em setores com um aumento previsto na demanda por enzimas, como comida e bebida, biocombustíveis e ração animal.

"Só recentemente começamos a entender e ter ferramentas melhores para desvendar a diversidade dos extremófilos em todo o mundo, "disse o Prof. Rosado, que está investigando habitats hostis na Arábia Saudita, como vulcões ativos e inativos, desertos e locais geotérmicos. "Como consequência, existe um enorme potencial para aplicações biotecnológicas no mundo real. "

Vulcões de lama

Enquanto isso, Os próprios vulcões de lama podem nos ajudar a entender ecossistemas únicos intimamente ligados ao encanamento de gases, fluidos e sedimentos de redes de fratura que muitas vezes se estendem por vários quilômetros para baixo, diz o Dr. Pei-Ling Wang, geoquímico da National Taiwan University em Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, Ela adiciona. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."