Methanosarcina es un género de arqueas euryarchaeotes que producen metano . Estos organismos unicelulares se conocen como metanógenos anaeróbicos que producen metano utilizando las tres vías metabólicas para la metanogénesis . Viven en diversos entornos donde pueden permanecer a salvo de los efectos del oxígeno, ya sea en la superficie de la Tierra, en aguas subterráneas, en respiraderos de aguas profundas y en los tractos digestivos de los animales. Methanosarcina crece en colonias.
El aminoácido pirrolisina se descubrió por primera vez en una especie de Methanosarcina , M. barkeri . Se han encontrado versiones primitivas de la hemoglobina en M. acetivorans , lo que sugiere que el microbio o un ancestro de este puede haber desempeñado un papel crucial en la evolución de la vida en la Tierra. Las especies de Methanosarcina también se destacan por tener genomas inusualmente grandes. M. acetivorans tiene el genoma más grande conocido de todas las arqueas.
Según una teoría publicada en 2014, Methanosarcina puede haber sido en gran medida responsable de la mayor extinción de la historia de la Tierra, la extinción del Pérmico-Triásico . La teoría sugiere que la adquisición de una nueva vía metabólica a través de la transferencia de genes seguida de una reproducción exponencial permitió al microbio consumir rápidamente grandes depósitos de carbono orgánico en sedimentos marinos, lo que llevó a una fuerte acumulación de metano y dióxido de carbono en los océanos y la atmósfera de la Tierra que mató a alrededor del 90% de las especies del mundo. Esta teoría podría explicar mejor el nivel de isótopos de carbono observado en los depósitos del período que otras teorías como la actividad volcánica.
La metanosarcina se ha utilizado en el tratamiento de aguas residuales desde mediados de la década de 1980. Los investigadores han buscado formas de utilizarla como fuente de energía alternativa. Las cepas de metanosarcina se cultivaron en morfología unicelular (Sowers et al. 1993) a 35 °C en un medio de caldo HS que contenía 125 mM de metanol más 40 mM de acetato de sodio (medio HS-MA).
Methanosarcina puede ser el único metanógeno anaeróbico conocido que produce metano utilizando las tres vías metabólicas conocidas para la metanogénesis . La metanogénesis es fundamental para la industria del tratamiento de residuos y el metano producido biológicamente también representa una importante fuente de combustible alternativo. La mayoría de los metanógenos producen metano a partir de dióxido de carbono y gas hidrógeno . Otros utilizan acetato en la vía acetoclástica. Además de estas dos vías, las especies de Methanosarcina también pueden metabolizar compuestos metilados de un carbono a través de la metanogénesis metilotrófica . Dichos compuestos de un carbono incluyen metilaminas , metanol y metiltioles. [1] Solo las especies de Methanosarcina poseen las tres vías conocidas para la metanogénesis y son capaces de utilizar no menos de nueve sustratos metanogénicos, incluido el acetato.
Las Methanosarcina son los metanógenos más diversos del mundo en términos de ecología . Se encuentran en entornos como vertederos, montones de aguas residuales, respiraderos de aguas profundas, aguas subterráneas profundas e incluso en el intestino de muchos ungulados diferentes , incluidas vacas, ovejas, cabras y ciervos. [1] También se han encontrado Methanosarcina en el tracto digestivo humano. [2] M. barkeri puede soportar fluctuaciones extremas de temperatura y pasar períodos prolongados sin agua. Puede consumir una variedad de compuestos o sobrevivir únicamente con hidrógeno y dióxido de carbono. [3] También puede sobrevivir en entornos de pH bajo que suelen ser peligrosos para la vida. [4] Al notar su extrema versatilidad, el biólogo Kevin Sowers postuló que M. barkeri podría incluso sobrevivir en Marte. [3] Methanosarcina crece en colonias y muestra una diferenciación celular primitiva. [1]
En 2002, investigadores de la Universidad Estatal de Ohio descubrieron el aminoácido pirrolisina en M. barkeri . [5] Investigaciones anteriores del equipo habían demostrado que un gen en M. barkeri tenía un codón ámbar en marco (UAG) que no señalaba el final de una proteína, como se esperaría normalmente. Este comportamiento sugirió la posibilidad de un aminoácido desconocido que se confirmó a lo largo de varios años cortando la proteína en péptidos y secuenciándolos. La pirrolisina fue el primer aminoácido codificado genéticamente descubierto desde 1986, y el 22º en total. [6] Posteriormente se ha encontrado en toda la familia Methanosarcinaceae , así como en una sola bacteria, Desulfitobacterium hafniense .
Tanto M. acetivorans como M. mazei tienen genomas excepcionalmente grandes . En agosto de 2008, M. acetivorans poseía el genoma de arquea secuenciado más grande, con 5.751.492 pares de bases . El genoma de M. mazei tiene 4.096.345 pares de bases. [1]
Las membranas celulares de Methanosarcina están formadas por lípidos relativamente cortos, principalmente de hidrocarburos C25 y éteres C20. La mayoría de los demás metanógenos tienen hidrocarburos C30 y una mezcla de éteres C20 y C40. [7] [8]
La taxonomía actualmente aceptada se basa en la Lista de nombres procariotas con relevancia en la nomenclatura (LPSN) [9] y el Centro Nacional para la Información Biotecnológica (NCBI). [10]
En 2004, se descubrieron dos versiones primitivas de hemoglobina en M. acetivorans y otra arqueona, Aeropyrum pernix . [17] Conocidas como protoglobinas, estas globinas se unen al oxígeno de forma muy similar a como lo hace la hemoglobina. En M. acetivorans , esto permite la eliminación del oxígeno no deseado que de otro modo sería tóxico para este organismo anaeróbico. Por lo tanto, las protoglobinas pueden haber creado un camino para la evolución de formas de vida posteriores que dependen del oxígeno. [18] Después del Gran Evento de Oxigenación , una vez que hubo oxígeno libre en la atmósfera de la Tierra, la capacidad de procesar el oxígeno condujo a una radiación generalizada de vida, y es una de las etapas más fundamentales en la evolución de las formas de vida de la Tierra. [17]
En 2006 , un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, dirigido por James G. Ferry y Christopher House, se inspiró en M. acetivorans y propuso una nueva "teoría termodinámica de la evolución". Se observó que M. acetivorans convierte el monóxido de carbono en acetato . Los científicos plantearon la hipótesis de que las primeras "protocélulas" unidas a minerales podrían haber utilizado enzimas primitivas para generar energía mientras excretaban acetato. La teoría pretendía unificar la teoría "heterotrófica" de la evolución temprana, según la cual la sopa primordial de moléculas simples surgió a partir de procesos no biológicos, y la teoría "quimioautotrófica", según la cual las primeras formas de vida crearon la mayoría de las moléculas simples. Los autores observaron que, aunque el "debate entre las teorías heterotrófica y quimiotrófica giraba en torno a la fijación del carbono", en realidad "estas vías evolucionaron primero para producir energía. Después, evolucionaron para fijar el carbono". [2] Los científicos propusieron además mecanismos que habrían permitido que la protocélula unida a minerales se volviera de vida libre y que el metabolismo del acetato evolucionara hacia el metano, utilizando las mismas vías energéticas. Especularon que M. acetivorans fue una de las primeras formas de vida en la Tierra, un descendiente directo de las protocélulas primitivas. La investigación se publicó en Molecular Biology and Evolution en junio de 2006. [2]
Recientemente, los investigadores han propuesto una hipótesis de evolución para la acetato quinasa y la fosfoacetil transferasa con evidencia genómica de Methanosarcina . [19] Los científicos plantean la hipótesis de que la acetato quinasa podría ser la uroquinasa en una superfamilia de proteínas importante que incluye la actina . [20] La evidencia sugiere que la acetato quinasa evolucionó en un antiguo genoma halófilo de Methanosarcina a través de la duplicación y divergencia del gen de la acetil coA sintetasa . [19]
Se planteó la hipótesis de que la producción de metano de Methanosarcina puede haber sido una de las causas del evento de extinción del Pérmico-Triásico . Se estima que el 70% de las criaturas con concha murieron por la acidificación de los océanos, debido a la superpoblación de Methanosarcina . [21] Un estudio realizado por investigadores chinos y estadounidenses respalda esa hipótesis. Utilizando el análisis genético de unos 50 genomas de Methanosarcina , el equipo concluyó que el microbio probablemente adquirió la capacidad de consumir acetato de manera eficiente utilizando acetato quinasa y fosfoacetil transferasa hace aproximadamente 240 ± 41 millones de años, [a] aproximadamente en el momento del evento de extinción hace 252 millones de años. [21] Los genes para estas enzimas pueden haber sido adquiridos de una bacteria degradadora de celulosa mediante transferencia genética . [22] La transferencia de genes juega un papel importante en la adaptación de las especies de Methanosarcina a su respectivo entorno, y los genomas de algunas especies contienen hasta un 31 % de genes adquiridos a través de transferencia de genes, como Methanosarcina mazei. [23]
Los científicos concluyeron que estos nuevos genes, combinados con depósitos de carbono orgánico ampliamente disponibles en el océano y un suministro abundante de níquel , [b] permitieron que las poblaciones de Methanosarcina aumentaran drásticamente. Según su teoría, esto condujo a la liberación de abundante metano como desecho. [22] Luego, parte del metano se habría descompuesto en dióxido de carbono por otros organismos. [24] La acumulación de estos dos gases habría provocado que los niveles de oxígeno en el océano disminuyeran drásticamente, al mismo tiempo que aumentaba la acidez . Los climas terrestres habrían experimentado simultáneamente un aumento de las temperaturas y un cambio climático significativo debido a la liberación de estos gases de efecto invernadero a la atmósfera. Es posible que la acumulación de dióxido de carbono y metano en la atmósfera eventualmente causara la liberación de gas de sulfuro de hidrógeno , lo que estresó aún más la vida terrestre. Los hallazgos del equipo se publicaron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias en marzo de 2014. [21]
Los defensores de la teoría microbiana sostienen que esta explicaría mejor el rápido, pero continuo, aumento del nivel de isótopos de carbono en los depósitos de sedimentos del período que la erupción volcánica, que causa un pico en los niveles de carbono seguido de un lento descenso. [22] La teoría microbiana sugiere que la actividad volcánica jugó un papel diferente: suministrar el níquel que Methanosarcina necesitaba como cofactor . Por lo tanto, la teoría microbiana sostiene que la actividad volcánica siberiana fue un catalizador, pero no la causa principal, de la extinción masiva. [25]
En 1985, Shimizu Construction desarrolló un biorreactor que utiliza Methanosarcina para tratar las aguas residuales de las plantas de procesamiento de alimentos y las fábricas de papel. El agua se introduce en el reactor donde los microbios descomponen las partículas de los desechos. El metano producido por las arqueas se utiliza luego para alimentar el reactor, lo que hace que su funcionamiento sea económico. En las pruebas, Methanosarcina redujo la concentración de desechos de 5.000 a 10.000 partes por millón (ppm) a 80 a 100 ppm. Fue necesario un tratamiento adicional para finalizar el proceso de limpieza. [26] Según un informe de 1994 en Chemistry and Industry , los biorreactores que utilizan la digestión anaeróbica por Methanothrix soehngenii o Methanosarcina produjeron menos subproducto de lodo que sus homólogos aeróbicos. Los reactores de Methanosarcina funcionan a temperaturas que van de 35 a 55 °C y rangos de pH de 6,5 a 7,5. [27]
Los investigadores han buscado formas de utilizar las capacidades de producción de metano de Methanosarcina de manera más amplia como una fuente de energía alternativa. En diciembre de 2010, investigadores de la Universidad de Arkansas empalmaron con éxito un gen en M. acetivorans que le permitió descomponer ésteres . Argumentaron que esto le permitiría convertir de manera más eficiente la biomasa en gas metano para la producción de energía. [28] En 2011, se demostró que la mayor parte del metano producido durante la descomposición en los vertederos proviene de M. barkeri . Los investigadores descubrieron que el microbio puede sobrevivir en entornos de pH bajo y que consume ácido, lo que aumenta el pH y permite que florezca una gama más amplia de vida. Argumentaron que sus hallazgos podrían ayudar a acelerar la investigación sobre el uso de metano generado por arqueas como una fuente de energía alternativa. [4]