La vita non è possibile senza azoto. Esistono molti modi in cui gli organismi acquisiscono azoto. Ad esempio, gli esseri umani mangiano le proteine per il loro alto contenuto di azoto. La maggior parte dei microrganismi assorbe l’azoto dall’ambiente sotto forma di ammoniaca (NH3). Poiché questo processo consuma energia cellulare, che di solito è scarsa, deve essere strettamente regolato. Un team di scienziati guidato da Tristan Wagner dell’Istituto Max Planck di microbiologia marina di Brema, in Germania, ha ora studiato questa regolazione in un gruppo di microrganismi sottoesplorato: gli archaea.
Gli archaea e i batteri potrebbero essere generalmente simili per dimensioni e forma, ma appartengono a due regni diversi. La regolazione dell’assorbimento di azoto nei batteri è ben studiata e molto complessa. In confronto, si sa poco del processo negli archaea. “Pertanto, abbiamo deciso di indagare su come questi microbi poco esplorati gestiscono tale regolamentazione”, afferma la prima autrice Marie-Caroline Müller. Insieme agli scienziati dell’Università Radboud nei Paesi Bassi, hanno studiato l’enzima che assimila l’azoto da due archaea generatori di metano. I loro risultati sono ora pubblicati sulla rivista Biologia delle comunicazioni.
Un interruttore molecolare, due modi per commutarlo
Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno utilizzato due archaea produttori di metano provenienti da ambienti molto diversi: Metanotermococco termolitotrofico proviene da sedimenti del Golfo di Napoli, e Methermicoccus shengliensis, proviene da un giacimento petrolifero in Cina.
“Mentre gli organismi studiati sono generalmente abbastanza simili, abbiamo scoperto che sono notevolmente diversi quando si tratta di regolare l’assorbimento di azoto”, spiega Müller. Si affidano allo stesso enzima per ottenere l’azoto ma azionano l’interruttore di accensione/spegnimento in modo diverso.
In primo luogo, i ricercatori hanno purificato la glutammina sintetasi – l’enzima responsabile dell’assorbimento dell’azoto, dipendente dall’energia – da entrambi gli organismi e ne hanno controllato l’attività. Lì hanno incontrato la loro prima sorpresa: mentre l’enzima da M. shengliensis era attivo come previsto, quello da M. termolitotrofico non era. Ovviamente, entrambi gli organismi utilizzavano lo stesso enzima per l’assorbimento dell’azoto ma lo regolavano in modo diverso, cioè avevano modi diversi per attivarlo e disattivarlo. Qual è stato il fattore scatenante? I ricercatori hanno deciso di provare il 2-ossoglutarato, che ha dimostrato di aumentare l’attività della glutammina sintetasi in alcuni archaea. E in effetti, ha funzionato. “Ero molto emozionato quando ho visto questo risultato”, dice Müller. “Avevamo trovato un modo per attivare l’attività dell’enzima M. termolitotrofico, e siamo anche riusciti a regolarlo manipolando la concentrazione di 2-ossoglutarato: quando la cellula ha bisogno di azoto, i livelli di 2-ossoglutarato aumentano e attivano la glutammina sintetasi. Tuttavia, quando la cellula ha abbastanza azoto, i livelli di 2-ossoglutarato diminuiscono fino a raggiungere una concentrazione insufficiente a mantenere attivo l’enzima, impedendo l’assimilazione dell’azoto. Pertanto, quando la cella è ben fornita di azoto, non viene sprecata energia.”
Inoltre, gli scienziati hanno scoperto che il M. shengliensis l’enzima viene inattivato dalla glutammina, la molecola che trasporta l’azoto nella cellula. Questa strategia è già stata trovata in alcuni batteri. In contrasto, M. termolitotrofico è insensibile alla glutammina, illustrando ancora una volta un tipo di regolazione molto diverso tra i due microbi.
Microbi vicini, meccanismi diversi
Successivamente, gli scienziati volevano scoprire come il 2-ossoglutarato riesce ad attivare l’interruttore di assorbimento dell’azoto M. termolitotrofico. Mediante cristallografia a raggi X, utilizzando la radiazione di sincrotrone, hanno determinato la struttura 3D dell’enzima, che doveva essere cristallizzato in anticipo, con e senza 2-ossoglutarato attaccato ad esso. Inoltre, lo hanno confrontato con l’altro organismo indagato, M. shengliensis. In M. termolitotrofico, il 2-ossoglutarato si lega in una tasca lontana dal sito attivo dove avviene la reazione. Il legame del 2-ossoglutarato ha rimodellato l’enzima per adottare la forma attiva. Tuttavia, il 2-ossoglutarato non può legarsi M. shengliensis´ enzima, il che spiega perché non reagisce al 2-ossoglutarato. “Ora possiamo descrivere in grande dettaglio come funziona l’interruttore del 2-ossoglutarato e quali enzimi sarebbero sensibili ad esso”, afferma Müller.
“Persino i microbi vicini, come quello degli archaea che genera metano, hanno progettato diversi modi per regolare l’assimilazione dell’azoto”, riassume Wagner. “C’è una bellezza in questa rete di regolamentazione che è stata perfezionata dall’evoluzione per rispondere in modo specifico e rapido alle esigenze della cellula. Si possono prevedere ulteriori sorprese: molto probabilmente, altri sistemi di regolamentazione inaspettati sono in attesa di essere scoperti”, conclude Wagner.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
