Batteri artici usano una via dell’acetone per catturare l’anidride carbonica

Un batterio trovato nelle acque superficiali dell’Oceano Artico sembra usare l’acetone come parte di una via di assimilazione del carbonio che incorpora anche l’anidride carbonica, secondo quanto riportato da nature.com. La scoperta identifica una forma insolita di carbossilazione in una popolazione marina fotoeterotrofa e suggerisce che il processo potrebbe aiutare l’organismo ad ampliare la propria disponibilità di materiale per la crescita.

La via è stata individuata in campioni metagenomici raccolti lungo un’indagine da nord a sud dell’Oceano Artico. I ricercatori hanno collegato i geni coinvolti a una popolazione di Gammaproteobacteria, Porticoccus arcticus. L’organismo non è stato rilevato una sola volta: le sue sequenze genetiche sono comparse ripetutamente in un’indagine pluriennale basata sull’RNA ribosomiale 16S e, in alcuni campioni, rappresentavano fino al 9% della popolazione misurata.

Questa presenza ricorrente indica un ruolo consolidato di P. arcticus negli ecosistemi marini artici, anziché una comparsa fugace nelle acque campionate. Lo studio ha esaminato anche i metatrascrittomi, che indicano quali geni sono attivi nelle comunità ambientali. In questi dati, i geni della carbossilasi dell’acetone e diversi rodopsine si collocavano tra quelli espressi più intensamente da P. arcticus nelle acque superficiali artiche povere di nutrienti.

Un uso diverso della carbossilazione

Le carbossilasi sono enzimi che contribuiscono ad attaccare il carbonio inorganico, compresa l’anidride carbonica, ad altre molecole. Questa chimica è ampiamente associata agli organismi autotrofi, che usano l’anidride carbonica per produrre composti organici. Il nuovo lavoro amplia questo quadro presentando prove del fatto che una carbossilasi può partecipare alla degradazione e all’assimilazione di un composto organico, in questo caso l’acetone.

La via proposta, quindi, non è descritta come una semplice fissazione del carbonio. Combina la degradazione dell’acetone con l’incorporazione dell’anidride carbonica. Per un batterio che vive in acque oligotrofiche, dove i nutrienti disponibili sono limitati, questa combinazione potrebbe fornire un ulteriore modo di generare i mattoni molecolari necessari alle sue cellule. La conclusione dello studio è che la carbossilazione dell’acetone potrebbe aumentare la capacità biosintetica dei batteri fotoeterotrofi, integrando il metabolismo del carbonio organico con quello del carbonio inorganico.

Le prove derivano dalla distribuzione e dall’attività dei geni, non da una dimostrazione diretta in laboratorio dell’intera via. I metagenomi hanno mostrato che P. arcticus possiede l’apparato genetico pertinente, mentre i metatrascrittomi hanno mostrato che i geni della carbossilasi dell’acetone sono altamente attivi nell’ambiente naturale esaminato. Nel loro insieme, queste osservazioni associano la via alla vita del batterio nelle acque superficiali artiche.

Un genoma semplificato con geni aggiuntivi per la percezione della luce

Il quadro genomico di P. arcticus aggiunge un ulteriore elemento alla scoperta. Rispetto agli organismi affini del genere Porticoccus, possiede un genoma più compatto e semplificato. Nonostante questo corredo genomico ridotto, conserva un insieme completo di geni per la carbossilazione dell’acetone.

Al tempo stesso, il batterio ha acquisito diversi geni per le proteorodopsine attraverso un trasferimento genico laterale. Nello studio, le proteorodopsine sono presentate come parte del corredo genetico dell’organismo associato alla luce, e la forte espressione dei geni delle rodopsine nelle acque superficiali le colloca, insieme alla carbossilazione dell’acetone, tra le sue attività più rilevanti in quell’ambiente.

Questa combinazione è degna di nota perché riunisce due caratteristiche in un’unica popolazione: geni per utilizzare rodopsine legate alla luce e una via che elabora l’acetone introducendo l’anidride carbonica nel metabolismo. I risultati non dimostrano che i due sistemi operino come un’unica sequenza biochimica, ma la loro elevata espressione nella stessa popolazione artica mette in risalto il profilo metabolico distintivo dell’organismo.

Perché il riscontro artico è importante

Il rilevamento ripetuto di P. arcticus nella serie storica di dati sull’rRNA 16S rafforza la rilevanza ecologica del risultato. Una via individuata soltanto in un frammento genomico isolato offrirebbe prove limitate della sua importanza nell’oceano. In questo caso, l’organismo era costantemente presente e talvolta relativamente abbondante nelle comunità marine artiche campionate.

Lo studio colloca quindi la carbossilazione dell’acetone nel quadro più ampio del funzionamento del ciclo oceanico del carbonio. Le carbossilasi occupano già una posizione centrale in natura perché mediano la fissazione dell’anidride carbonica. Le prove che un fotoeterotrofo marino possa utilizzarne una durante la degradazione dell’acetone aggiungono un possibile ulteriore percorso attraverso il quale il carbonio inorganico entra nel materiale cellulare.

Come riportato da nature.com, il lavoro identifica nei batteri artici un modulo metabolico che potrebbe aiutarli a prosperare nelle acque superficiali oligotrofiche. Mostra inoltre come le indagini genomiche, i dati sull’espressione genica ambientale e i rilevamenti a lungo termine delle comunità possano, insieme, rivelare nell’oceano una forma inattesa di elaborazione del carbonio.