Revelando Perspectivas Metagenómicas sobre o Ciclo do Carbono

O que é o Ciclo do Carbono Microbiano?

A Terra orgulha-se de uma produção anual impressionante de mais de 5 × 10^9 toneladas de resíduos vegetais, compostos principalmente por polímeros como celulose, hemicelulose, polissacarídeos e lignina. A decomposição destes restos orgânicos constitui uma engrenagem vital no equilíbrio do carbono orgânico, particularmente no Carbono Orgânico do Solo (COS), dentro dos ecossistemas terrestres. O COS representa o maior reservatório de carbono na superfície da Terra, tornando mesmo pequenas flutuações impactantes não apenas na composição e funcionalidade das comunidades, mas também nas emissões de gases com efeito de estufa, incluindo o CO.₂ e CH₄, e as dinâmicas climáticas globais consequentes. O solo global, até uma profundidade de 1 metro, contém uma estimativa do dobro da quantidade de carbono orgânico do solo (COS) (~1550 Pg) em comparação com o reservatório de carbono atmosférico (~708 Pg). Consequentemente, mesmo pequenas variações nas reservas de carbono do solo global podem influenciar significativamente o dióxido de carbono atmosférico (CO₂) concentrações e, por extensão, a mudança climática. Central a este cenário complexo está a decomposição microbiana do carbono orgânico do solo, uma parte integral do ciclo global do carbono, influenciando os processos de armazenamento e liberação de carbono, e desempenhando um papel fundamental na manutenção do equilíbrio do carbono. O estudo dos processos de degradação do carbono microbiano nos solos oferece soluções para uma melhor gestão do carbono orgânico do solo, aumento dos estoques de carbono no solo e a mitigação da mudança climática através da redução das emissões de dióxido de carbono. Notavelmente, os processos de degradação do carbono microbiano não se limitam apenas aos meios do solo; eles se estendem a corpos de água, sedimentos, aterros, processos vegetais in vivo e aos ambientes intrincados dos tratos intestinais humanos e animais.

Ciclo do carbono microbiano. (Wang et al., 2022)

Análise de Mineração de Genes de Degradação de Carbono através de Sequenciação de Metagenoma

Com o rápido desenvolvimento de tecnologia de sequenciação de alto rendimentoos investigadores podem agora explorar de forma abrangente os genes de degradação do carbono, utilizando métodos como metagenómicaEsta tecnologia está a expandir rapidamente a nossa compreensão do ciclo do carbono e da dinâmica dos ecossistemas.

• Caracterização de Genes de Degradação de Carbono: Os cientistas podem agora explorar amostras ambientais para desvendar a distribuição, diversidade e função dos genes de degradação de carbono nos ecossistemas, lançando luz sobre o seu impacto na estabilidade dos ecossistemas e no ciclo do carbono.
• Descoberta de Microrganismos Não Cultivados: A tecnologia facilita a descoberta de microrganismos não cultivados com potenciais funções de degradação de carbono em diversos ambientes, aprofundando a nossa compreensão do ciclo do carbono e dos ecossistemas.
• Elucidação de Vias Metabólicas: Os investigadores podem agora explorar as vias metabólicas de degradação do carbono de microrganismos, revelando os mecanismos de degradação e a regulação de vários compostos orgânicos.
• Compreensão da Regulação Genética: Estudar os mecanismos regulatórios dos genes de degradação do carbono em conjunto com abordagens multi-ômicas oferece uma visão sobre os padrões de expressão e os mecanismos regulatórios desses genes, iluminando a relação entre a regulação genética e a degradação microbiana de diferentes compostos orgânicos.
• Avaliação de Comunidades Microbianas: A tecnologia fornece uma plataforma para estudar o potencial de degradação de carbono das comunidades microbianas, oferecendo uma base teórica para o desenvolvimento de enzimas biodegradáveis.

Estudo de Caso: Progresso na Compreensão dos Mecanismos de Ciclagem do Carbono em Comunidades Microbianas

O ciclo do carbono, um processo biogeoquímico primordial nos ecossistemas do solo, continua a ser um enigma complexo a nível comunitário. As crostas biológicas servem como sistemas modelo notáveis para a investigação do ciclo biogeoquímico e da engenharia de ecossistemas. Embora as técnicas possam prever processos de ciclagem de materiais através da abundância de genes, o estudo dos microrganismos do solo, responsáveis por impulsionar as transformações de carbono, tem sido desafiador devido a fatores como o estado fisiológico microbiano, a complexidade estrutural da matéria orgânica do solo e as variações no estado redox do carbono orgânico.

Num estudo inovador, os investigadores amostraram cinco lotes de crustáceos biológicos, cada um em diferentes estágios de sucessão, ao longo de quatro anos consecutivos num local de campo típico. Os resultados, obtidos a partir de uma variedade de técnicas metagenómicas e ferramentas de análise de modelagem de grandes dados, revelaram os padrões de ciclagem de carbono microbiano em comunidades de crostas biológicas e as suas interações e mecanismos regulatórios.

Ciclo do carbono baseado em sequenciação metagenómica. (Wang et al., 2022)

Os resultados destacaram que os genes de fixação de carbono inorgânico impulsionados por energia luminosa e que consomem energia eram escassos, enquanto os genes associados à degradação de carbono orgânico eficiente em termos energéticos, fermentação, respiração aeróbica e oxidação de CO eram abundantes. Análises de coocorrência revelaram ainda que o ciclo do carbono nos ecossistemas de biocrusts abrange tanto um módulo de assimilação semelhante à produção primária quanto um módulo alóctone semelhante à produção secundária. A relação entre os caminhos de ciclagem e a composição da comunidade microbiana muda dinamicamente com a sucessão, e ambos os módulos estão interligados através do ciclo CBB, da fermentação de etanol e ácido propiónico, equilibrados pela aridez e salinidade.

Em resumo, este estudo representa um grande avanço na compreensão do intrincado mundo do ciclo do carbono a nível da comunidade microbiana, oferecendo um caminho promissor para uma melhor gestão dos nossos ecossistemas.

Referência:

1. Wang, Qiong, et al. "Ciclo do carbono nos ecossistemas microbianos das crostas biológicas do solo." Biologia e Bioquímica do Solo 171 (2022): 108729.