Alteração das expressões proteicas intracelulares como mecanismo chave da deterioração da desnitrificação bacteriana causada por nanopartículas de óxido de cobre

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 15824 (2015) Citar este artigo

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A crescente produção e utilização de nanopartículas de óxido de cobre (NPs de CuO) resulta em liberações no meio ambiente. No entanto, a influência das NPs de CuO na desnitrificação bacteriana, uma das vias mais importantes para transformar nitrato em dinitrogênio no ambiente, raramente foi estudada. Aqui relatamos que os NPs de CuO causaram uma alteração significativa nas expressões proteicas chave de um desnitrificador modelo, Paracoccus denitrificans, levando a uma inibição severa da desnitrificação. A eficiência total de remoção de nitrogênio diminuiu de 98,3% para 62,1% com o aumento de NPs de CuO de 0,05 para 0,25 mg/L. Estudos de morfologia e integridade celular indicaram que nanopartículas entraram nas células. A análise de bioinformática proteômica mostrou que NPs de CuO causaram regulação de proteínas envolvidas no metabolismo do nitrogênio, transferência de elétrons e transporte de substâncias. A regulação negativa da proteína GtsB (responsável pelo transporte de glicose) diminuiu a produção de NADH (doador de elétrons para desnitrificação). Além disso, as expressões das principais proteínas de transferência de elétrons (incluindo NADH desidrogenase e citocromo) foram suprimidas por CuO NPs, o que afetou negativamente a transferência de elétrons para desnitrificação. Investigações adicionais revelaram que as NPs de CuO inibiram significativamente as expressões e atividades catalíticas da nitrato redutase e da nitrito redutase. Estes resultados forneceram uma compreensão fundamental das influências negativas das NPs de CuO na desnitrificação bacteriana.

O ciclo do nitrogênio, um dos principais ciclos biogeoquímicos da biosfera, realiza a transformação do nitrogênio em diferentes formas entre a atmosfera, a água, a terra e os organismos. O processo de desnitrificação, que converte nitrato em dinitrogénio e devolve o elemento azoto à atmosfera, é de grande importância para a estreita relação com as alterações climáticas globais, a qualidade da água e a saúde dos ecossistemas1. Como as bactérias desnitrificantes mais amplamente distribuídas, as bactérias desnitrificantes realizam a redução do nitrato por meio de uma série de processos biológicos. As reações metabólicas desnitrificantes são, em última análise, controladas por várias proteínas funcionais, como proteínas de transferência de elétrons e enzimas desnitrificantes. Foi relatado que as expressões dessas proteínas determinavam o metabolismo celular dos desnitrificadores2,3.

Com o rápido desenvolvimento da nanotecnologia, os nanomateriais projetados têm sido amplamente aplicados em diversos campos, como biomedicina, síntese de materiais e catálise química . Foi relatado que os nanomateriais podem causar efeitos negativos nas células humanas6,7,8, nas plantas9 e nas bactérias modelo10. Em particular, devido à excelente propriedade antimicrobiana, as nanopartículas de óxido de cobre (NPs de CuO) têm sido amplamente aplicadas em têxteis antimicrobianos, preservação de madeira, tintas anti-incrustantes e biocidas agrícolas . Foi relatado que a produção global de NPs de CuO foi de 570 toneladas em 2014 e a produção estimada seria de 1.600 toneladas até o ano 202513. Assim, o aumento da produção e utilização de NPs de CuO resulta em suas liberações intencionais ou não intencionais no meio ambiente14. Embora a toxicidade das NPs de CuO para alguns organismos modelo, como células humanas ou algas, tenha sido amplamente estudada , o principal motivo foi atribuído à geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) , que podem levar à lesão do DNA ou regulação genética9,15. É bem sabido que as proteínas, produtos finais da expressão gênica, são os executores terminais de processos biológicos específicos, como a catalisação de reações metabólicas e o transporte de substâncias. Portanto, uma vez que as expressões proteicas fossem significativamente afetadas, o crescimento e os processos metabólicos globais seriam alterados17.

Durante a desnitrificação, a fonte extracelular de carbono (como a glicose) precisa ser transportada para dentro das células antes de ser utilizada para crescimento microbiano e desnitrificação . Está bem documentado que o processo de transporte da glicose é realizado pela cooperação de diversas proteínas importantes, como a proteína de ligação ao soluto (GtsA), a proteína da membrana interna (GtsB e GtsC) e a proteína de ligação ao ATP (MalK)21. Além disso, a desnitrificação bacteriana é uma série de reações redox sequenciais que dependem da transferência de elétrons. Na cadeia de transferência de elétrons, os elétrons são entregues sequencialmente por proteínas de transferência de elétrons, como o citocromo bc1, o citocromo c e enzimas desnitrificantes . Além disso, quatro enzimas desnitrificantes principais, nitrato redutase (NAR), nitrito redutase (NIR), óxido nítrico redutase (NOR) e óxido nitroso redutase (N2OR), catalisam sequencialmente as reações de redução de nitrato em nitrogênio. Estudos anteriores indicaram que as alterações nas principais proteínas de transporte de elétrons ou enzimas desnitrificantes afetaram o desempenho da desnitrificação . No entanto, as influências dos nanomateriais projetados na desnitrificação das expressões e funções das proteínas funcionais intracelulares bacterianas raramente foram documentadas.