Todos los organismos producen metano  

La formación del gas de efecto invernadero es impulsada por especies reactivas de oxígeno.

15. Marzo 2022

Se sabe que el metano, un gas de efecto invernadero, es producido por microorganismos especiales, por ejemplo, en los intestinos de las vacas o en los campos de arroz. Durante algunos años, los científicos también habían observado la producción de metano en plantas y hongos, sin encontrar una explicación. Ahora, investigadores de Heidelberg y el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburgo han descubierto el mecanismo subyacente. Sus hallazgos sugieren que todos los organismos liberan metano.

El metano es un potente gas de efecto invernadero, por lo que el estudio de sus fuentes y sumideros biogeoquímicos naturales y antropogénicos es de enorme interés. Durante muchos años, los científicos consideraron que el metano era producido solo por microbios unicelulares llamados Archaea, tras la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno (anaeróbico).


Todos los organismos producen metano en un proceso químico que involucra radicales libres.

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Todos los organismos producen metano en un proceso químico que involucra radicales libres.

Ahora, una colaboración de científicos de la tierra y la vida dirigidos por Frank Keppler e Ilka Bischofs ha demostrado que una enzima potencialmente no es necesaria para la formación de metano, ya que el proceso también puede tener lugar a través de un mecanismo puramente químico. "La formación de metano desencadenada por especies reactivas de oxígeno probablemente ocurre en todos los organismos", explica Leonard Ernst, un investigador junior capacitado interdisciplinariamente que realizó el estudio. Los científicos verificaron la formación reactiva de metano impulsada por especies reactivas de oxígeno en más de 30 organismos modelo, que van desde bacterias y arqueas hasta levaduras, células vegetales y líneas celulares humanas.

Fue una sensación cuando los investigadores de Max Planck descubrieron la liberación de metano de las plantas en presencia de oxígeno (aeróbico) hace 16 años. Sin embargo, inicialmente se dudaba de los resultados, ya que la formación de metano no podía explicarse con el conocimiento entonces existente sobre las plantas. Cuando los investigadores observaron que también los hongos, las algas y las cianobacterias (anteriormente algas azul-verdes) formaban metano en condiciones aeróbicas, se asumió que las actividades enzimáticas eran responsables. Sin embargo, los investigadores nunca encontraron una enzima correspondiente en ninguno de estos organismos. "Este estudio es, por lo tanto, un hito en nuestra comprensión de la formación de metano aeróbico en el medio ambiente", dijo Frank Keppler, geocientífico de la Universidad de Heidelberg. "Este mecanismo universal también explica las observaciones de nuestro estudio anterior sobre la liberación de metano de las plantas", agrega Keppler.



Formación de metano impulsada por ROS en las células. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) como el peróxido de hidrógeno (H2O2) se generan durante el metabolismo celular y su producción se ve reforzada por el estrés oxidativo. Las células necesitan hierro para sobrevivir y reducir el hierro (III) [Fe3 +] a hierro (II) [Fe2 +]. La interacción de ROS y Fe2+ conduce a la reacción de Fenton y, por lo tanto, a la formación de compuestos de hierro tetravalente (FeIV) altamente reactivos y radicales hidroxilo (-OH). Estos, a su vez, atacan compuestos metilados de azufre o nitrógeno (por ejemplo, metionina), que son producidos por las células o absorbidos por el medio ambiente. Al hacerlo, un radical metilo (•CH3) se forma por desmetilación oxidativa, que luego, por abstracción de un átomo de hidrógeno (por ejemplo, de otros hidrocarburos), reacciona al metano (CH4).


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Formación de metano impulsada por ROS en las células. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) como el peróxido de hidrógeno (H2O2) se generan durante el metabolismo celular y su producción se ve reforzada por el estrés oxidativo. Las células necesitan hierro para sobrevivir y reducir el hierro (III) [Fe3 +] a hierro (II) [Fe2 +]. La interacción de ROS y Fe2+ conduce a la reacción de Fenton y, por lo tanto, a la formación de compuestos de hierro tetravalente (FeIV) altamente reactivos y radicales hidroxilo (-OH). Estos, a su vez, atacan compuestos metilados de azufre o nitrógeno (por ejemplo, metionina), que son producidos por las células o absorbidos por el medio ambiente. Al hacerlo, un radical metilo (•CH3) se forma por desmetilación oxidativa, que luego, por abstracción de un átomo de hidrógeno (por ejemplo, de otros hidrocarburos), reacciona al metano (CH4).

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Como los investigadores han podido demostrar utilizando la bacteria Bacillus subtilis, existe una estrecha conexión entre la actividad metabólica y la extensión de la formación de metano. La actividad metabólica, especialmente bajo la influencia del oxígeno, conduce a la formación de especies reactivas de oxígeno en las células, que incluyen peróxido de hidrógeno y radicales hidroxilo. En interacción con el elemento esencial hierro, tiene lugar la reacción de Fenton, una reacción entre el hierro reducido y el peróxido de hidrógeno que conduce a la formación de compuestos de hierro tetravalentes altamente reactivos y radicales hidroxilo.

Estas últimas moléculas impulsan la escisión de un radical metilo a partir de compuestos metilados de azufre y nitrógeno, por ejemplo, el aminoácido metionina. En una reacción posterior del radical metilo con un átomo de hidrógeno, finalmente se forma metano. Todas las reacciones pueden tener lugar en condiciones fisiológicas en un tubo de ensayo y se ven significativamente reforzadas por biomoléculas como atp y NADH, que son generadas por el metabolismo celular.

El estrés oxidativo adicional, desencadenado por factores físicos y químicos, por ejemplo, temperaturas ambientales más altas o la adición de sustancias formadoras de especies reactivas de oxígeno, también condujo a un aumento en la formación de metano en los organismos examinados. En contraste, la adición de antioxidantes y la eliminación de radicales libres redujeron la formación de metano, una interacción que probablemente controla la formación de metano en los organismos.

Por lo tanto, el estudio también ayuda a explicar por qué la producción de metano por un determinado organismo puede variar en varios órdenes de magnitud y por qué los factores de estrés afectan particularmente la cantidad de producción. Los cambios en las condiciones ambientales y de temperatura causados por el cambio climático podrían influir potencialmente en los niveles de estrés de muchos organismos y, por lo tanto, en sus emisiones atmosféricas de metano. Por el contrario, las variaciones en el contenido de metano de la respiración podrían indicar cambios relacionados con la edad o el estrés en el metabolismo celular.

 
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