Archaea Oxidadoras de Amônia

Leandro Nascimento Lemos

Thiago Nepomuceno Silva

Vanessa Feitosa Viana da Silva

• Maioria das Archaea são extremófilas, com espécies capazes de crescer em altas temperaturas, salinidades e condições de pH extremas para muitos micro-organismos.

Archaea

Archaea

Archaea

Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

Parede celular de Archaea

Pseudomureína

Polímeros de glicose

Ácido glucorônico

Ácido galactosamina urônica

Acetato

Camada de superfície paracristalina

Descobertas

1999 Descoberta do processo de Oxidação anaeróbia da amônia.

Oxidação da Amônia

• Acreditava-se que somente as bactérias eram responsáveis por esse processo

Beta e gamma-proteobactérias

AOB- ammonia-oxidizing bacteria

Archaea oxidadoras de amônia

2005 Descrição da primeira Archaea oxidante de amônia. Oxidação aeróbia da amônia nitrito (NO2

-)

História da descoberta de AOA

Estudo da diversidade bacteriana num sistema de reator nitrificante e sedimento de rio:

Amplificação do gene 16S rRNA bacteriano falhou.

Amplificação do gene 16S rRNA de um grupo de Archaea marinha (grupo 1 marinho: crenarchaeota).

Então, essa população fortemente associada ao grupo 1 de crenarchaeota foi implicada na oxidação da amônia.

• Após uma série de experimentos a primeira cultura pura foi obtida Nitrosopumilus maritimus

• Pequeno organismo marinho;

• Archaea marinha planctônica;

• Importância biogeoquímica das Archaea marinhas

Mistério Sequenciamento de metagenomas de organismos marinhos

Archaea oxidadora de amônia

Diversidade filogenética

• Subsequentes análises do gene 16S rRNA: • Revelou a presença do grupo 1 de Archaea distribuídos em

vários habitats coluna d ’ água marinha, estuários, sedimentos e solos.

• Ensaios em cultura significante fonte de carbono inorgânico em águas marinhas profundas e capacidade para assimilar material orgânico.

• Sequenciamento completo do genoma permitiu que alinhassem sequências concatenadas de proteínas ribossomais.

• Permitiu a criação de uma nova divisão dentro de Archaea.

• Compreende todas as Archaea oxidantes de amônia.

Thaumarchaeota: Uma nova divisão dentro de Archaea

Hábitats ocupados

• Análise do gene amoA

• Os hábitats ocupados por AOA excedem àqueles compreendidos por bactérias oxidadoras de amônia.

• Representante mesófilos e termófilos:

A existência de AOA termófila foi indicada pelo diagnóstico de crenarchaeol associado com o grupo 1 marinho e pela amplificação do homólogo de amoA de Archaea em fossas termais.

Fonte: paporecicladocomricardoinez.blogspot.com

(1-5% de todos os procariotos

Fonte: blogdogutemberg.blogspot.com

(20-40% bacterioplâncton marinho)

Fonte:noisnaniuzila.wordpress.com

Crescimento a temperaturas acima de 74°C

Fonte: covildokoiote.blogspot.com Fonte: impactosambientais.no.sapo.pt

Geotermal

Fonte: Microbiologia de Brock, 13° edição.

Ciclo do nitrogênio

Ciclo do nitrogênio

Fixação do nitrogênio

Amonificação

Nitrificação

Requer alta energia para clivar a ligação

N2 ou N2O Desnitrificação

Prejudicial na agricultura

Importante no tratamento de efluentes

Decomposição de compostos orgânicos nitrogenados

NH3 NO2- NO3

-

Anammox Oxidação anaeróbia NH3 + NO2- N2 bactérias (AOB)

Fisiologia

pH neutro Km NH3 = 3 nM

Km Afinidade

[NH3] > 1 mM

Nitrosopumilus maritimus

Oligotróficos extremos

Km (NH3+NH4+) = 132

nM

1 NH3 + 1.5 O2 1 NO2−+ H2O + H+

= AOB

Reação de oxidação da NH3

Afinidade por NH3

>50% de atividade máxima

1 Könneke, et al.,2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon. Nature 437:543-546.

200mM NH4

+

NH4OH

Nitrososphaera gargensis

Fisiologia

Km AOB

200x Km N.

maritimus

Afinidade NH3 = 69.000 L/gh

MAIOR AFINIDADE DE UM MICRO- ORGANISMO POR UM SUBSTRATRO

Fisiologia

AOA Oligotróficas extremas

Populações marinhas [NH3] nM

NH3 AOB

Competição

Afinidade por O2

N. maritimus Micro-organismo Aeróbios (~4μM)

=

AOA NO2-

Oxidadoras de NH3 anaeróbicas

Zonas com O2

Afinidade O2 maior

AOA de solo

Poucos dados fisiológicos cultura recentemente

Nitrososphaera viennensis

[NH3] N. maritimus

Capaz de iniciar o crescimento em concentrações > 10mM

Nitrito 3mM Crescimento Metabólito ou Intermediário

É observado in situ AOA cresce em várias [NH3] AOB [NH3] inicial

Concentração total de NH3/NH4+ 7 mg NH3-N/L (pH 8)

= 100 mg N total/L 0.0007 mg NH3-N/L (pH 4)

AOA Acidófila

Nitrosotalea devanaterra • 1º oxidador de NH3 acidófilo

• Encontrado em solos ácidos

• pH ótimo 4 a 5

• Taxas de nitrificação solos ácidos

AOB

NH4+ é o substrato

NH3 é o substrato 1 un de pH 10x NH3

Fisiologia

Esta preferência, ou requisito, de NH4+ pode ser verdade

para populações marinhas

Valor de meia saturação = 100mM

NH4+

[NH3] = 1-3 mM pH 7

N. maritimus

Catabolismo (oxidação) de NH3

Anabolismo (assimilação)

≠

Solo

taxas de nitrificação

Estudos moleculares (amoA)

abundância e atividade

nitrificadores

AOB AOA

Competição

Sistemas altas adicões diretas de NH3

inorgânico

Sistemas Mineralização

AOA AOB

Competição

Afinidade NH3

Fisiologia

Quimioautotróficos e oligotróficos extremos

Elemento-chave Nitrificação

Taxa de oxidação da NH3

Limita a velocidade da nitrificação

Interações tróficas Ciclo do

nitrogênio

Função chave

NO2– + NH3 2 N2

Fisiologia

Archaea

Altas Temp. pH ácido Baixa [NH3]

Ciclo do N totalmente funcional

Nº maior de

habitats

Fisiologia

Se compete eficazmente

Oceanos AOA

Fito

plâ

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Het

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fico

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Au

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AOA P

lan

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Mic

ro-

org

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Solos

Então, a assimilação da NH3 é uma via de menor importância para o metabolismo de NH3 através da

mineralização da matéria orgânica

Fisiologia

• Assim, AOA deve forçar outros grupos a investir no poder de redução de NO3

-/NO2- NH3 para a

biossíntese.

• A resolução assimilação vs oxidação da NH3 é de grande importância para um melhor entendimento dos controles dos micro-organismos da forma de nitrogênio e disponibilidade associada a micro e macrobiota em ambos os sistemas marítimos e terrestres.

Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?

• Nitrososphaera gargensis e Nitrososphaera viennensis usam CO2 como única fonte de C.

• Foram encontrados genes relacionados com assimilação autotrófica de carbono.

• Estudos com CO2 com 13C encontrados na Archaea.

• Alguns AOA usam compostos orgânicos porém outros são inibidos.

• Captação de aminoácidos por Archaea planctônicas.

• Estudos com isótopos em comunidades do oceano Atlântico também indica esta captação de aminoácidos.

Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?

Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?

• Aumento no crescimento de N. viennensis em cultura com adição de piruvato.

• Genes do CAC foram encontrados em N. maritimus como transportadores de aminoácidos,

dipeptídeos/oligopeptídeo.

Genômica comparativa

• Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.

Genômica comparativa

• Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.

Três diferenças principais nos sistemas de oxidação da amônia e na fixação do carbono:

•Cobre é o principal metal redox ativo (mais que o ferro); •Ausência de qualquer homólogo de oxirredutases bacterianas (hydroxylamine oxireductase, HAO) responsáveis pela oxidação da hidroxilamina em nitrito; •Variações no Ciclo do Carbono.

Genômica comparativa

• Oxidação da amônia em bactérias (e.g., Nitrosomonas europaea); • Amônia é oxidada em NH2OH pelo complexo enzimático AMO (genes amoC, amoA e amoB) • Hidroxilamina é oxidada em Nitrito no periplasma.

Bioquímica

Bioquímica

Intermediário no processo oxidativo: •Hydroxylamine:

• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • (1) bacterial type;

Bioquímica

• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • NO, produzido pela redução do nitrito, na presença de CuNIR, seria o "gerador" de elétrons.

Bioquímica

• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO;

• (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO;

• (3) Presença de HNO;

Bioquímica

Bioquímica

• Análises genômicas: Via metabólica única para oxidação do NH3, sendo o Cobre (Cu) o maior metal redox ativo; • O produto da oxidação do NH3 não parece ser NH2OH, ou alternativamente, Thaumarchaeota usam um sistema distinto para oxidação e transferência de elétrons de NH2OH; • Investigar o metabolismo de NH2OH em Nitrosopumilus maritimus;

Bioquímica

• Oxidação da Amônia NH3 em NO2- por N. maritimus via NH2OH; • NH2OH é produto da oxidação da amônia.

Genômica comparativa: ciclo celular

Genes homólogos aos presente nos sistemas CdvABC (eucariotos) e FtsZ (bactérias e outros grupos de arquéias);

• AOA apresentam ambos os sistemas; • Citometria de fluxo e imunoflorescência para analisar o ciclo

e divisão celular de N. maritimus;

Genômica comparativa: ciclo celular

•AOA apresentam ambos os sistemas; Expressão de CdvA, CdvB e CdvC estão associadas ao ciclo celular; •Sistema Cdv (ESCRT-III-like) em N. maritimus; •FtsZ (?): segregação e crescimento celular (?);

Genômica comparativa: ciclo celular

•Divisão celular lenta (15 - 18h): adaptação em ambientes com limitação extrema de nutrientes;

Química atmosférica

•Maior produção de (N20) em oceanos por AOA;

Obrigado!!!