Explorando o Ciclo do Metano através de Sequenciação Metagenómica

Ciclo do Metano

Metano (CH)₄), é um composto ubíquo encontrado na natureza. É a substância orgânica mais básica e o hidrocarboneto mais simples. No entanto, a sua importância ambiental não pode ser subestimada. O metano classifica-se como um potente gás com efeito de estufa, apenas atrás do dióxido de carbono, exercendo uma influência substancial no ecossistema do nosso planeta e nas dinâmicas climáticas globais. Possui um potencial de aquecimento global 28 vezes maior do que o do CO.₂, contribuindo para aproximadamente 20% do efeito global de aquecimento.

Os processos metabólicos do metano que estão atualmente na vanguarda da investigação científica são a metanogénese e a oxidação do metano. Dentro destes processos, os microrganismos assumem papéis fundamentais. Mais de dois terços das emissões globais de metano originam-se de fontes microbianas, com uma parte significativa a ser atribuída a microrganismos produtores de metano, conhecidos como metanogénicos. Estes microrganismos prosperam predominantemente em ambientes anaeróbicos, privados de oxigénio.

Potencial de ciclagem de metano na zona de mínimo de oxigénio do Mar Arábico.

Sequenciação Metagenómica e Análise de Genes do Ciclo do Metano

O campo da Análise de Genes do Ciclo do Metano Metagenómico emprega técnicas de sequenciação metagenómica desvendar as capacidades funcionais e atividades dos microrganismos em diversos habitats. Esta abordagem serve para reconstruir as suas contribuições ao intrincado ciclo do metano. Ao utilizar tecnologias de sequenciação avançadas, sequências de genomas microbianos são obtidos a partir de vários ecossistemas. Subsequentemente, estes conjuntos de dados metagenómicos são anotados para revelar o seu envolvimento nas funções de metabolismo do metano e para identificar as espécies envolvidas. Este processo é facilitado através da Base de Dados de Metabolismo do Ciclo do Metano.

A base de dados é fundamental na anotação. dados de sequenciação metagenómica de uma ampla variedade de ambientes, incluindo sedimentos de fontes termais, sedimentos marinhos, ecossistemas de água doce, turfeiras e regiões de tundra. Os resultados fornecem uma análise eficiente, específica e abrangente tanto dos aspectos estruturais como funcionais das comunidades microbianas envolvidas no metabolismo do metano. Esta abordagem de alta precisão melhora a nossa compreensão do ciclo do metano impulsionado por microrganismos e das suas interações intrincadas com outros elementos no ambiente.

Caso: Ciclos de Azoto e Metano nas Zonas de Mínimo Oxigénio do Mar Arábico

Nas zonas de mínimo de oxigénio (OMZs) do oceano global, onde as concentrações de oxigénio caem para menos de um por cento, comunidades microbianas únicas impulsionam ciclos biogeoquímicos intricados, incluindo os do azoto e do metano. Estas regiões são contribuintes essenciais para a perda de azoto oceânico, desempenhando um papel crucial na formação da composição química dos oceanos do mundo. Entre as OMZs, o Mar Arábico destaca-se como um local notável onde tanto os processos de anammox (oxidação anaeróbica de amónio) como de desnitrificação foram documentados.

Para obter uma compreensão mais profunda do potencial genético para o ciclo do nitrogénio e do metano dentro da OMZ do Mar Arábico, foi realizado um estudo metagenómico abrangente, focando-se em duas zonas distintas: as regiões superior e central da OMZ.

Na zona superior da OMZ do Mar Arábico, observaram uma comunidade diversificada de Thaumarchaeotasugerindo o seu envolvimento na oxidação aeróbica de amónio. Thaumarchaeota são conhecidos pela sua capacidade de oxidar amónio aerobicamente, lançando luz sobre os processos de ciclagem de azoto na OMZ superior. A presença desta diversa Thaumarchaeota os pontos da comunidade para a sua participação ativa neste passo essencial do ciclo do nitrogênio.

Inferência filogenética de contigs de thaumarqueais montados a partir dos metagenomas da OMZ. (Lüke et al., 2016)

Inferência filogenética de contigs relacionados com Scalindua montados a partir dos metagenomas da OMZ. (Lüke et al., 2016)

Ao avançarem mais profundamente na zona central da OMZ do Mar Arábico, observaram uma baixa diversidade de bactérias anammox semelhantes a Scalindua, que desempenhavam um papel significativo na perda de azoto. As bactérias anammox são conhecidas pela sua capacidade única de converter amónio e nitrito em gás nitrógeno em condições anaeróbicas, contribuindo assim para a redução de compostos de azoto no oceano.

O estudo também identificou Nitrospina spp. e uma nova linhagem de organismos oxidantes de nitrito como os principais intervenientes na oxidação aeróbica de nitrito dentro da OMZ. Ambos os grupos estavam presentes em abundâncias aproximadamente iguais, enfatizando a sua importância partilhada na manutenção dos processos de ciclagem do nitrogénio neste ambiente.

Além disso, a sua pesquisa indicou o potencial para a redução dissimilatória de nitrato a amónia (DNRA) na OMZ. Os microrganismos responsáveis ainda não foram identificados, mas foram encontrados a albergar um gene nrfA divergente. A DNRA é um passo essencial no ciclo do azoto, convertendo nitrato em amónia e influenciando a disponibilidade de nutrientes essenciais no oceano.

Enquanto o dados metagenómicos não forneceram evidências conclusivas para o ciclo ativo de metano na OMZ do Mar Arábico, mas detetaram uma baixa abundância de diversidade de monooxigenases de alcano novas. Estas descobertas sugerem que o metabolismo do metano pode estar a ocorrer, embora a um nível relativamente baixo.

Em conclusão, o seu estudo metagenómico abrangente do OMZ do Mar Arábico revelou uma comunidade dinâmica e diversificada de microrganismos participantes no ciclo do azoto, abrangendo a oxidação aeróbica de amónio, anammox, oxidação aeróbica de nitrito e o potencial para DNRA. Estas descobertas lançam luz sobre o potencial genético para um ciclo ativo de azoto neste ambiente único e revelaram linhagens de bactérias até agora negligenciadas envolvidas no ciclo do carbono e do azoto.

Referência:

1. Lüke, Claudia, et al. "Análise metagenómica do ciclo do nitrogénio e do metano na zona de mínimo de oxigénio do Mar Arábico." PeerJ 4 (2016): e1924.