Organismi Metanogeni ed organismi metanotrofi non hanno molto a che fare tra loro, appartengono a domini diversi e vivono in ambienti diversi. Ciò che li connette è il metano e il loro ruolo nel ciclo della vita di questo composto. Da una parte abbiamo organismi che producono metano, mentre dall’altra parte del “ring”, organismi che lo usano come fonte energetica.
Organismi metanogeni
Cercando nel mondo biotico scopriremmo che i “produttori di metano” non si limitano ai procarioti. Se dovessimo però definire dei microrganismi metanogeni “propriamente detti”, ci riferiremmo a coloro che usano H2 e CO2 rispettivamente come donatori e accettori di elettroni nella respirazione anaerobia e che ottengono metano dalla riduzione dell’anidride carbonica. Questo particolare metabolismo prende il nome di metanogenesi ed è proprio degli Archea metanogeni.
Gli Archea sono organismi unicellulari per lungo tempo considerati come “batteri estremi”. Comunque, sebbene molti sianoestremofili, ad oggi sono riconosciute altrettante specie mesofili e largamente diffuse nell’ambiente. Così, gli Archea metanogeni abitano acque dolci, sedimenti marini, suolo e l’intestino di svariati animali, incluso l’uomo. La loro fisiologia ed ecologia è stata ampiamente studiata per la loro capacità di produrre metano che rappresenta sia una risorsa energetica (biogas), sia un gas atmosferico da tenere sotto controllo.
Tassonomia dei metanogeni
Gli Archea metanogeni sono organizzati in sette ordini, dei quali i primi sei appartengono al phylum dei Euryarcheota (Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarciles, Methanopyrales, Mehanocellales), mentre il settimo (Methanomassiliicoccales) appartiene ai Thermoplasmatales.
Metanogenesi
In una scala trofica, troveremmo gli Archea metanogeni in fondo alla lista. Si servono di fonti energetiche limitate, ottenute dalla degradazione della materia organica dall’attività di batteri anaerobi: CO2, substrati metilici, substrati acetotrofici. Infatti, classificazioni metaboliche definiscono i batteri idrogenotrofi, metilotrofi e acetotrofici come una classe di metanogeni.
In generale, H2 è il donatore degli elettroni che ridurranno CO2 in metano che, insieme ad altri due sistemi accoppiati, costituisce l’unico metabolismo energetico degli Archea metanogeni. Fondamentale nella metanogenesi è il ruolo dei numerosi coenzimi caratteristici, come il metil-coenzima M reduttasi (CoM) condiviso da tutti i metanogeni, la cui subunità alpha funge da marker molecolare.
Metanotrofi
Il metano, composto volatile, passerebbe dagli ambienti anossici in atmosfera se non ossidato dai metanotrofi. La loro attività di mitigazione è cruciale nel ciclo globale del metano. I metanotrofi usano il gas metano come donatore di elettroni nella respirazione aerobia e l’energia usata per la crescita cellulare e biosintesi di diversi metaboliti. Proprio la loro capacità di biotrasformazione ha richiamato l’interesse scientifico per il possibile uso nella bioremediation, nonché nella produzione di diversi composti di valore biomedico.
Precisamente, i metanotrofi appartengono a un sottogruppo di batteri detti Metofili. Ciò che li distingue dal secondo gruppo metilotrofo è la capacità di poter ossidare direttamente il metano grazie alla presenza della metano monossigenasi. In quanto batteri aerobi, si distribuiscono in ambienti in cui coesista O2, metano e composti a C1, come: suolo, acque dolci, risaie, impianti di trattamento di acque reflue. Inoltre, possiamo trovarli in zone estreme come vulcani e soil puddies, con alta produzione di metano, e regioni antartiche.
Tassonomia dei metanotrofi
Gram-negativi aerobi, i metanotrofi vengono classificati in base alla loro morfologia, capacità di produrre spore, presenza di specifiche proteine di membrana e proprietà metaboliche.
- Tipo I: appartengono al phylum dei gamma-proteobatteri della famiglia delle Methylococcacee. Cocchi o bastoncelli, questi batteri possono presentarsi in cellule singole o raggruppate. In fase stazionaria possono formare cisti sferiche composte di polissacaridi che li rende resistenti all’essiccamento o alle alte temperature.
- Tipo II: alpha-proteobatteri, nella famiglia delle Methylocystaceae si trovano i generi più rappresentativi: Methylocystis e Methylosinus. La loro caratteristica sta nei ripiegamenti delle membrane disposte perifericamente all’interno delle cellule, la cui forma è molto variabile (vibroide, reniforme, bastonello o a rosette). Formano esospore o cisti lipidiche. Il ciclo degli acidi tricarbossilici è completo.
- Tipo X: sottogruppo del tipo I, scoperto successivamente. Appartengono al genere Methylococcus e combina caratteristiche dei due gruppi sia a livello morfologico che di proprietà metaboliche.
Metanotrofia
Nella metanotrofia, l’enzima chiave è la metano monossigenasi (MMO) che catalizza l’introduzione di un atomo di ossigeno nel substrato metano. Dal processo di ossidazione si ottiene formaldeide e la sua modalità di assimilazione si biforca nelle due vie proprie dei due principali tipi di metanotrofi: il ciclo assimilativo del ribulosio monofosfato (RuMP pathway) e la via della serina transidrossimetilasi (Serine pathway). Principalmente legata a membrana, la MMO esiste anche in forma solubile, cui ampia specificità di substrato rende la metanotrofia un metabolismo facoltativo per alcune specie metanotrofe (es. genere Methylocella). Queste specie sono capaci di ossidare substrati alifatici, aromatici ed eterociclici, molto utili nella biotrasformazione.
Round decisivo: Metanogeni o metanotrofi
Metanogeni o metanotrofi, entrambi i nostri due avversari presentano abilità apparentemente simili. Teoricamente, potremmo vederli utilizzare substrati metilici e per questo appartenere alla stessa “squadra” dei metilotrofi. Dall’altra parte, trovare gli archea tra i metanotrofi: in determinate condizioni, quando associati con batteri solfato riduttori, gli archea operano ossidazione anaerobia del metano liberando H2.
Condividere gli stessi termini tecnici non li porta però a condividere lo stesso ambiente. Gli Archea metanogeni vivono in assenza di ossigeno, mentre i metanotrofi in presenza di esso. Eppure il mondo microbico non smette mai di stupirci e farci ricredere (Metanogenesi in aerobiosi: lo studio rivoluzionario).
Grazie al loro ruolo nel ciclo del metano, gli organismi metanogeni e metanotrofi insieme, formano una importante catena trofica indipendente dalla fotosintesi e che rivela sempre più sfaccettature e possibili applicazioni, dove la medaglia diventa la sostenibilità.
Fonti
- Gianni Dehò e Enrica Galli, “Biologia dei microrganismi”, Casa Editrice Ambrosiana, 2012.
- Reeve JN, Nölling J, Morgan RM, Smith DR. Methanogenesis: genes, genomes, and who’s on first? J Bacteriol. 1997 Oct;179(19):5975-86.
- Gaci N, Borrel G, Tottey W, O’Toole PW, Brugère JF. Archaea and the human gut: new beginning of an old story. World J Gastroenterol. 2014 Nov 21;20(43):16062-78.
- Hanson RS, Hanson TE. Methanotrophic bacteria. Microbiol Rev. 1996 Jun;60(2):439-71.
- Salem R, ElDyasti A, Audette GF. Biomedical Applications of Biomolecules Isolated from Methanotrophic Bacteria in Wastewater Treatment Systems. Biomolecules. 2021 Aug 16;11(8):1217.
Immagini
- Immagine da “RUMINANTIA”
- Da articolo: Salem R, ElDyasti A, Audette GF. Biomedical Applications of Biomolecules Isolated from Methanotrophic Bacteria in Wastewater Treatment Systems. Biomolecules. 2021 Aug 16;11(8):1217.
- Da articolo: Hanson RS, Hanson TE. Methanotrophic bacteria. Microbiol Rev. 1996 Jun;60(2):439-71..
- Wastewater tratment plants
