Syntrophy - Syntrophy

Em biologia , syntrophy , synthrophy , ou alimentação cruzada (a partir de grego syn ou seja em conjunto, trophe significado alimentação) é o fenómeno de uma espécie que vivem fora os produtos metabólicos de uma outra espécie. Nesse tipo de interação biológica , o crescimento de um parceiro depende dos nutrientes , fatores de crescimento ou substratos fornecidos pelo outro parceiro. Jan Dolfing descreve a sintrofia como "a interdependência crítica entre produtor e consumidor ". Este termo para interdependência nutricional é freqüentemente usado em microbiologia para descrever esta relação simbiótica entre espécies bacterianas. Morris et al . descreveram o processo como " metabolismo mutuamente obrigatório ".

Sintrofia microbiana

A sintrofia desempenha um papel importante em um grande número de processos microbianos.

A característica definidora dos  ruminantes , como vacas e cabras, é um estômago chamado  rúmen . O rúmen contém bilhões de micróbios, muitos dos quais são sintróficos. Um excelente exemplo dessa sintrofia é a  transferência de hidrogênio entre espécies . Alguns micróbios de fermentação anaeróbica no rúmen (e outros tratos gastrointestinais) são capazes de degradar a matéria orgânica em ácidos graxos de cadeia curta e hidrogênio. O hidrogênio acumulado inibe a capacidade do micróbio de continuar degradando a matéria orgânica, mas a presença de micróbios consumidores de hidrogênio sintrófico permite o crescimento contínuo ao metabolizar os produtos residuais. Além disso, as bactérias fermentativas obter o rendimento máximo de energia quando protões são utilizados como aceitador de electrões com concomitante H 2  produção. Organismos consumidores de hidrogênio incluem metanogênios , redutores de sulfato, acetogênios e outros. Alguns produtos de fermentação, como ácidos graxos com mais de dois átomos de carbono, álcoois com mais de um átomo de carbono e ácidos graxos de cadeia ramificada e aromáticos, não podem ser usados ​​diretamente na metanogênese .

Nos processos de acetogênese, esses produtos são oxidados a acetato e H 2  por bactérias redutoras de prótons obrigatórias em relação sintrófica com arquéias metanogênicas, pois a baixa  pressão parcial de H 2 é essencial para que as reações acetogênicas sejam termodinamicamente favoráveis ​​(ΔG <0).

O número de células bacterianas que vivem sobre ou no corpo humano, por exemplo ao longo do canal alimentar e na pele, é cerca de 10 vezes o número total de células humanas nele. Esses micróbios são vitais , por exemplo, para o funcionamento do sistema digestivo e imunológico.

Outro exemplo são os muitos organismos que se alimentam de fezes ou esterco. A dieta de uma vaca consiste principalmente de grama , cuja celulose é transformada em lipídios por microorganismos no intestino grosso da vaca . Esses microrganismos não podem usar os lipídios por causa da falta de oxigênio no intestino, então a vaca não absorve todos os lipídios produzidos. Quando a grama processada deixa o intestino como esterco e vai para o ar livre, muitos organismos, como o besouro de esterco , se alimentam dela.

Ainda outro exemplo é a comunidade de microrganismos no solo que vivo fora da folha de maca. As folhas duram normalmente um ano e são então substituídas por novas. Esses microrganismos mineralizam as folhas descartadas e liberam nutrientes que são absorvidos pela planta. Essas relações são chamadas de sintrofia recíproca porque a planta vive de produtos de microrganismos. Muitas   relações simbióticas são baseadas na sintrofia.

Biodegradação de poluentes

Redes alimentares microbianas sintróficas podem desempenhar um papel fundamental na decomposição de poluentes orgânicos, como óleos, compostos aromáticos e aminoácidos .

A contaminação ambiental com óleo é de grande importância ecológica, mas pode ser mediada por degradação sintrófica. Alcanos  são cadeias de hidrocarbonetos que são o principal componente químico dos óleos crus e foram quebrados experimentalmente por teias alimentares microbianas sintróficas. Os hidrocarbonetos do óleo são decompostos após a ativação pelo  fumarato , um composto químico que é regenerado por outros microrganismos. Sem regeneração, os micróbios que degradam o óleo acabariam ficando sem fumarato e o processo cessaria. Essa decomposição é crucial nos processos de  biorremediação  e ciclagem global do carbono.

Comunidades microbianas sintróficas são atores-chave na decomposição de  compostos aromáticos , que são poluentes comuns. A degradação do benzoato aromático em metano produz muitos compostos intermediários, como formato , acetato , CO
2
e H 2 . O acúmulo desses produtos torna a degradação do benzoato progressivamente menos favorável. Esses intermediários podem então ser absorvidos e metabolizados sintroficamente por metanógenos para tornar todo o processo mais termodinamicamente favorável.

Estudos têm mostrado que a degradação bacteriana de  aminoácidos  pode ser significativamente aumentada por meio do processo de sintrofia. Micróbios que crescem fracamente em substratos amino ácidos alanina , aspartato , serina , leucina , valina e glicina podem ter a sua taxa de crescimento aumentou dramaticamente por H syntrophic 2 sequestrantes. Esses necrófagos, como  Methanospirillum  e  Acetobacterium ,  metabolizam os resíduos de H 2 produzidos durante a quebra de aminoácidos, evitando o acúmulo de tóxicos. Outra maneira de melhorar a quebra de aminoácidos é por meio da transferência de elétrons entre espécies mediada pelo formato. Espécies como Desulfovibrio empregam esse método.

Mecanismo metabólico

A principal razão por trás de uma relação sintrófica entre dois organismos bacterianos é generalizada como uma relação em que a atividade metabólica de cada participante não pode superar de forma independente a pressão termodinâmica da reação sob condições padrão, mesmo quando um co-substrato ou nutriente é adicionado ao ambiente. Portanto, a cooperação do outro participante é necessária para reduzir o tamanho do pool intermediário.

A cultura Methanobacillus omelianskii é um exemplo clássico em demonstrar como duas reações separadas e desfavoráveis ​​podem ser realizadas por interações sintróficas. O organismo S e o organismo MoH de Methanobacillus omelianskii oxidam o etanol em acetato e metano por um processo denominado transferência de hidrogênio entre espécies . Indivíduos do organismo S são observados como bactérias anaeróbias obrigatórias que usam etanol como doador de elétrons , enquanto MoH ( Methanobacterium bryantii cepa MoH) são metanógenos que oxidam gás hidrogênio para produzir metano. Essas duas reações metabólicas podem ser mostradas da seguinte forma:

Organismo S: 2 CH 3 CH 2 OH + 2 H 2 O → 2 CH 3 COO - + 2 H + + 4 H 2 (ΔG ° '= +19 kJ)
Cepa MoH: 4 H 2 + CO
2
→ CH 4 + 2H 2 O (? G °'= -131 kJ)

Compostos orgânicos complexos como etanol, propionato , butirato e lactato não podem ser usados ​​diretamente como substratos para metanogênese por metanógenos. Por outro lado, a fermentação desses compostos orgânicos não pode ocorrer em microrganismos em fermentação, a menos que a concentração de hidrogênio seja reduzida a um nível baixo pelos metanógenos. Neste caso, o hidrogênio, um composto portador de elétrons (mediador), é transportado da bactéria em fermentação para o metanogênio por meio de um processo denominado transferência de elétrons interespécies mediada (MIET), onde o mediador é transportado para baixo em um gradiente de concentração criado por um acoplado termodinamicamente favorável reação redox .

Referências