Membranas intracitoplasmáticas se desenvolvem em Geobacter sulfurreducens sob condições termodinamicamente limitantes

npj Biofilmes e Microbiomas volume 9, Número do artigo: 18 (2023) Citar este artigo

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Geobacter sulfurreducens é uma bactéria eletroativa capaz de reduzir óxidos metálicos no ambiente e eletrodos em sistemas de engenharia1,2. Geobacter sp. são os organismos fundamentais nos biofilmes eletrogênicos, pois sua respiração consome produtos de fermentação produzidos por outros organismos e reduz um aceitador terminal de elétrons, por exemplo, óxido de ferro ou um eletrodo. Para respirar aceitadores de elétrons extracelulares com uma ampla gama de potenciais redox, G. sulfurreducens possui uma rede complexa de proteínas respiratórias, muitas das quais estão ligadas à membrana . Identificamos estruturas de membrana intracitoplasmática (ICM) em G. sulfurreducens. Este ICM é uma invaginação da membrana interna que se dobrou e se organizou por um mecanismo desconhecido, muitas vezes, mas nem sempre, localizada perto da ponta de uma célula. Usando microscopia confocal, podemos identificar que pelo menos metade das células contém um ICM quando cultivadas em superfícies anódicas de baixo potencial, enquanto as células cultivadas em superfícies anódicas de maior potencial ou usando fumarato como aceitador de elétrons tiveram frequência ICM significativamente menor. Modelos 3D desenvolvidos a partir de tomografias crioeletrônicas mostram que o ICM é uma extensão contínua da membrana interna em contato com o espaço citoplasmático e periplasmático. A abundância diferencial de ICM em células cultivadas sob diferentes condições termodinâmicas apoia a hipótese de que é uma adaptação à disponibilidade limitada de energia, uma vez que um aumento nas proteínas respiratórias ligadas à membrana poderia aumentar o fluxo de elétrons. Assim, o ICM fornece superfície extra da membrana interna para aumentar a abundância dessas proteínas. G. sulfurreducens é o primeiro Thermodesulfobacterium ou redutor de óxido metálico encontrado a produzir ICMs.

Embora classicamente diferenciemos procariontes de eucariotos por uma diferença na compartimentalização das organelas do citoplasma, a realidade é mais complicada. Procariontes com uma grande variedade de metabolismos e nichos ecológicos expressam várias organelas intracelulares bem definidas6,7,8. A maioria das organelas caracterizadas em procariontes se enquadra em uma de duas categorias. Os primeiros são compartimentos isolados onde são mantidas condições especializadas para realizar processos químicos não possíveis no espaço citoplasmático, por exemplo, o anammoxossomo9, o carboxissomo10 e o acidocalcissomo11. A segunda categoria de organelas procarióticas consiste em estruturas de membrana densamente compactadas que facilitam maior rendimento para processos metabólicos dependentes de membrana, aumentando a área de superfície disponível em uma célula, por exemplo, o tilacóide, o clorossomo12 e estruturas membranosas em oxidantes de metano, nitrito e amônia13, 14,15,16. Usamos o termo geral 'membrana intracitoplasmática' (ICM) para descrever todas essas estruturas lipídicas em procariotos, pois inclui organelas com estruturas membranosas com funções desconhecidas. Para organismos que operam com margens termodinâmicas estreitas ou que realizam reações químicas lentas, a taxa de atividade enzimática, por exemplo, produção de ATP, deve ser proporcional à área de superfície da membrana disponível para essas enzimas. Em algumas bactérias oxidantes de metano, por exemplo, duas enzimas metabólicas essenciais - metano monooxigenase e metanol desidrogenase - foram encontradas no ICM, hipoteticamente proporcionando maior rendimento para uma reação potencialmente limitante da taxa , e o mesmo foi observado com amônia monooxigenase em bactérias oxidantes de amônia15. Curiosamente, a relação entre proteínas de membrana e ICMs ocorre em ambos os sentidos, pois a modificação de uma bactéria para superexpressar uma enzima ligada à membrana pode estimular estruturas semelhantes a ICM em uma bactéria que normalmente não possui organelas .

Geobacter sulfurreducens é uma Thermodesulfobactéria Gram-negativa (anteriormente classificada como δ-proteobactéria) que reduz ferro e outros metais em ambientes anaeróbicos1. Como um organismo adaptado para respirar óxidos metálicos insolúveis na natureza, G. sulfurreducens também é capaz de respirar aceitadores de elétrons sólidos produzidos pelo homem2. Em um sistema projetado, podemos aproveitar essa transferência extracelular de elétrons (EET) para produzir uma corrente elétrica mensurável. O sequenciamento de amplicon de biofilmes eletroativos normalmente considera as espécies de Geobacter o organismo mais abundante, independentemente da fonte do inóculo . G. sulfurreducens reduz aceitadores de elétrons com uma ampla gama de potenciais redox estimados (-0,17 [goethita] a +0,98 V vs. SHE [paládio]), produz uma densidade de corrente relativamente alta em sistemas de engenharia (até 10 A ∙ m-2)23, e possui uma rede complexa de transportadores de elétrons5,22,24,25. A fim de se adaptar à medida que o potencial redox de seu aceitador de elétrons muda, G. sulfurreducens expressa pelo menos três vias diferentes de transferência de elétrons, cada uma com uma condição ideal de crescimento e sinal eletroquímico distinto . Por estas razões, G. sulfurreducens é considerado um organismo eletroativo modelo .