Como Detectar Redes de Ciclagem de Enxofre Microbiano através de Metagenomas?

O que é o Ciclo de Enxofre Microbiano?

O enxofre, um nutriente indispensável para todas as formas de vida, serve como um bloco de construção vital para aminoácidos como a metionina e a cisteína. Existem abundantes reservatórios de enxofre na natureza, particularmente no ecossistema marinho, onde o sulfato e o sulfeto são armazenados em grandes quantidades. A transformação de compostos de enxofre com diferentes estados de valência depende principalmente de microrganismos, cada um equipado com funções metabólicas distintas, contribuindo para o intrincado ciclo do enxofre. Sob diversas condições, as bactérias oxidantes de enxofre facilitam a conversão de componentes de enxofre de baixa valência em sulfato, seja em ambientes aeróbicos ou anaeróbicos. Por outro lado, as bactérias redutoras de sulfato, ativas em condições anaeróbicas, reduzem o sulfato a sulfeto, completando este ciclo biológico essencial.

O esboço conceptual das principais proteínas e vias conhecidas envolvidas no ciclo de DMS/DMSP microbiano. (Teng et al., 2021)

Mineração de Dados Metagenómicos

• Quantificação e Análise Comparativa de Genes Funcionais do Ciclo do Enxofre: Cálculo detalhado da abundância de genes funcionais do ciclo do enxofre.
• Mapa do Caminho Funcional do Gene do Ciclo do Enxofre: Visualização dos principais caminhos e suas interações.
• Análise Comparativa da Diversidade Beta Entre Amostras/Grupos: Descubra a diversidade dos genes do ciclo do enxofre entre diferentes amostras ou grupos.
• Identificação Microbiana do Hospedeiro e Análise Conjunta com Genes Funcionais: Ligando comunidades microbianas aos genes funcionais que elas transportam, proporcionando uma perspectiva holística.

Por favor, leia o nosso artigo. Introdução à Metagenómica Shotgun, desde a Amostragem até à Análise de Dados.

Processo de Pesquisa

• Resultados de Anotação KEGG de Metagenoma Análise Padrão: Utilização da anotação KEGG para identificar genes relevantes no ciclo do enxofre.
• Integração dos Ciclos de Carbono, Nitrogénio, Enxofre e Fósforo: Compreensão abrangente dos ciclos metabólicos interconectados.
• Cálculo Detalhado da Abundância de Genes: Quantificação precisa da abundância de genes para cada via (carbono, nitrogénio, enxofre e fósforo) em cada amostra.
• Comparações de Abundância Genética Inter-Amostral: Revelando as variações e relações entre diferentes amostras.

Estudo de Caso: Caracterização Biogeográfica do Ciclo do Dimetilsulfeto e do Dimetilmercaptopropionato

O dimetilmercaptopropionato (DMSP) é um composto marinho comum vital para a nutrição bacteriana e o ciclo global do enxofre. Os microrganismos metabolizam o DMSP em sulfeto de dimetilo volátil (DMS), um gás "ativo no clima" com implicações significativas para a química atmosférica e as mudanças climáticas globais.

Neste estudo, eles realizaram metagenómico e metatranscriptómico análises de amostras de água do mar de oceanos polares e de baixas latitudes, lançando luz sobre as características biogeográficas de genes microbianos envolvidos no ciclo de DMS/DMSP.

Abundância relativa de potenciais genes envolvidos no ciclo de DMS/DMSP bacteriano. (Teng et al., 2021)

As descobertas deles revelam que os oceanos polares exibem uma maior abundância genética relacionada ao ciclo DMS/DMSP em comparação com os oceanos de baixas latitudes, demonstrando uma distribuição biogeográfica distinta. Genes-chave, como a DMSP demetilase (DmdA), enzimas de clivagem de DMSP (DddD, DddP e DddK) e a monooxigenase de trimetilamina (Tmm), que oxida DMS a dimetilsulfóxido, são protagonistas centrais no ciclo global de DMS/DMSP.

Dentro do ciclo de DMS/DMSP marinho polar, α-amoeba e γ-amoeba desempenham papéis cruciais. Surpreendentemente, o padrão biogeográfico do ciclo de DMS/DMSP nos oceanos polares está principalmente associado à profundidade de amostragem, em vez da distância geográfica, indicando que a distribuição não é limitada por restrições de dispersão, mas sim influenciada por variações nos habitats de superfície e de águas profundas.

Análises da similaridade entre amostras de água do mar polares e não polares. (Teng et al., 2021)

Em conclusão, esta pesquisa sublinha a importância do ciclo de enxofre microbiano nos ecossistemas marinhos, com a utilização de dados metagenómicos fornecendo informações inestimáveis sobre a distribuição e diversidade de genes-chave envolvidos no ciclo DMS/DMSP, contribuindo, em última análise, para a nossa compreensão dos processos biogeoquímicos da Terra.

Diversidade filogenética de genes relacionados ao ciclo de DMS/DMSP nos oceanos Ártico e Antártico. (Teng et al., 2021)

Referência:

1. Teng, Zhao-Jie, et al. "Traços biogeográficos do ciclo de dimetilsulfureto e dimetilsulfoniopropionato nos oceanos polares." Microbioma 9.1 (2021): 1-17.