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Archaea Oxidadoras de
Amônia
Leandro Nascimento Lemos
Thiago Nepomuceno Silva
Vanessa Feitosa Viana da Silva
• Maioria das Archaea são extremófilas, com
espécies capazes de crescer em altas
temperaturas, salinidades e condições de
...
Archaea
Archaea
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
Parede celular de Archaea
Pseudomureína
Polímeros de glicose
Ácido glucorônico
Ácido galactosamina urônica
Acetato
Camada ...
Descobertas
1999
Descoberta do processo de Oxidação anaeróbia da amônia.
Oxidação da Amônia
• Acreditava-se que somente as bactérias eram responsáveis
por esse processo
Beta e gamma-proteobactéri...
Archaea oxidadoras de amônia
2005
Descrição da primeira Archaea oxidante de amônia.
Oxidação aeróbia da amônia nitrito (...
História da descoberta de AOA
 Estudo da diversidade bacteriana num sistema de reator
nitrificante e sedimento de rio:
 ...
• Após uma série de experimentos a primeira cultura pura
foi obtida  Nitrosopumilus maritimus
• Pequeno organismo marinho...
Diversidade filogenética
• Subsequentes análises do gene 16S rRNA:
• Revelou a presença do grupo 1 de Archaea distribuídos...
• Sequenciamento completo do genoma permitiu que
alinhassem sequências concatenadas de proteínas
ribossomais.
• Permitiu a...
Hábitats ocupados
• Análise do gene amoA
• Os hábitats ocupados por AOA excedem àqueles
compreendidos por bactérias oxidad...
Fonte: paporecicladocomricardoinez.blogspot.com
(1-5% de todos os
procariotos
Fonte: blogdogutemberg.blogspot.com
(20-40% ...
Fonte: Microbiologia de Brock, 13° edição.
Ciclo do nitrogênio
Ciclo do nitrogênio
Fixação do nitrogênio
Amonificação
Nitrificação
Requer alta energia para clivar a ligação
N2 ou N2O De...
Fisiologia
pH neutro Km NH3 = 3 nM
Km  Afinidade
[NH3] > 1 mM
Nitrosopumilus maritimus
Oligotróficos extremos
Km (NH3+NH4...
Afinidade por NH3
>50% de atividade
máxima
1 Könneke, et al.,2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizingmarine arc...
Fisiologia
Km
AOB
200x
Km
N.
maritimus
Afinidade NH3
= 69.000 L/gh
MAIOR AFINIDADE DE UM MICRO-
ORGANISMO POR UM SUBSTRATRO
Fisiologia
AOA  Oligotróficas extremas
Populações marinhas [NH3]  nM
NH3 AOB
Competição
Afinidade por O2
N. maritimus Micro-organismo
Aeróbios (~4μM)
=
AOA NO2
-
Oxidadoras de NH3
anaeróbicas
Zonas com O2
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AOA de solo
Poucos dados fisiológicos  cultura recentemente
Nitrososphaera viennensis
[NH3] N. maritimus
Capaz de iniciar...
Concentração total de NH3/NH4
+  7 mg NH3-N/L (pH 8)
= 100 mg N total/L 0.0007 mg NH3-N/L (pH 4)
AOA Acidófila
Nitrosotal...
Fisiologia
Esta preferência, ou requisito, de NH4
+ pode ser verdade
para populações marinhas
Valor de meia
saturação = 10...
Solo
taxas de nitrificação
Estudos moleculares (amoA)
abundância e
atividade
nitrificadores
AOBAOA
Competição
Sistemas  a...
Fisiologia
Quimioautotróficos e
oligotróficos extremos
Elemento-chave
Nitrificação
Taxa de oxidação
da NH3
Limita a veloci...
Fisiologia
Archaea
Altas Temp.pH ácidoBaixa [NH3]
Ciclo do N
totalmente
funcional
Nº maior
de
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Fisiologia
Se compete eficazmente
Oceanos
AOA
Fitoplânctons
Heterotróficos
Autotróficos
AOA
Plantas
Micro-
organismos
Solo...
Fisiologia
• Assim, AOA deve forçar outros grupos a investir no
poder de redução de NO3
-/NO2
-  NH3 para a
biossíntese.
...
Autotróficos, Mixotróficos e
Heterotróficos?
• Nitrososphaera gargensis e Nitrososphaera viennensis
usam CO2 como única fo...
• Alguns AOA usam compostos orgânicos porém outros
são inibidos.
• Captação de aminoácidos por Archaea planctônicas.
• Est...
Autotróficos, Mixotróficos e
Heterotróficos?
• Aumento no crescimento de N. viennensis em cultura
com adição de piruvato.
...
Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas;
• Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas;
• Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
Três diferenças principais nos sistemas de oxidação da amônia e
na fixação do carbono:
•Cobre é o principal metal redox at...
• Oxidação da amônia em bactérias (e.g., Nitrosomonas
europaea);
• Amônia é oxidada em NH2OH pelo complexo enzimático
AMO ...
Bioquímica
Intermediário no processo oxidativo:
•Hydroxylamine:
• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença
hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO;
• (1) e (2) difer...
• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a
presença de HNO;
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• Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a
presença de HNO;
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Bioquímica
• Análises genômicas: Via metabólica única para oxidação do NH3, sendo o Cobre
(Cu) o maior metal redox ativo;
...
Bioquímica
• Oxidação da Amônia NH3 em NO2- por N. maritimus via
NH2OH;
• NH2OH é produto da oxidação da amônia.
Genômica comparativa: ciclo celular
Genes homólogos aos presente nos sistemas CdvABC
(eucariotos) e FtsZ (bactérias e outr...
Genômica comparativa: ciclo celular
•AOA apresentam ambos os sistemas; Expressão de CdvA, CdvB e CdvC estão
associadas ao ...
Genômica comparativa: ciclo celular
•Divisão celular lenta (15 - 18h): adaptação em ambientes com limitação extrema de
nut...
Química atmosférica
•Maior produção de (N20) em oceanos por AOA;
Obrigado!!!
Arquéias oxidadoras de amônia (Seminário final de Ecologia Microbiana [Usp])
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Arquéias oxidadoras de amônia (Seminário final de Ecologia Microbiana [Usp])

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Seminário final apresentado na disciplina de Ecologia Microbiana (PPG - USP).

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Arquéias oxidadoras de amônia (Seminário final de Ecologia Microbiana [Usp])

  1. 1. Archaea Oxidadoras de Amônia Leandro Nascimento Lemos Thiago Nepomuceno Silva Vanessa Feitosa Viana da Silva
  2. 2. • Maioria das Archaea são extremófilas, com espécies capazes de crescer em altas temperaturas, salinidades e condições de pH extremas para muitos micro- organismos. Archaea
  3. 3. Archaea
  4. 4. Archaea Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
  5. 5. Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
  6. 6. Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.
  7. 7. Parede celular de Archaea Pseudomureína Polímeros de glicose Ácido glucorônico Ácido galactosamina urônica Acetato Camada de superfície paracristalina
  8. 8. Descobertas 1999 Descoberta do processo de Oxidação anaeróbia da amônia.
  9. 9. Oxidação da Amônia • Acreditava-se que somente as bactérias eram responsáveis por esse processo Beta e gamma-proteobactérias AOB- ammonia-oxidizing bacteria
  10. 10. Archaea oxidadoras de amônia 2005 Descrição da primeira Archaea oxidante de amônia. Oxidação aeróbia da amônia nitrito (NO2 -)
  11. 11. História da descoberta de AOA  Estudo da diversidade bacteriana num sistema de reator nitrificante e sedimento de rio:  Amplificação do gene 16S rRNA bacteriano falhou.  Amplificação do gene 16S rRNA de um grupo de Archaea marinha (grupo 1 marinho: crenarchaeota).  Então, essa população fortemente associada ao grupo 1 de crenarchaeota foi implicada na oxidação da amônia.
  12. 12. • Após uma série de experimentos a primeira cultura pura foi obtida  Nitrosopumilus maritimus • Pequeno organismo marinho; • Archaea marinha planctônica; • Importância biogeoquímica das Archaea marinhas Mistério Sequenciamento de metagenomas de organismos marinhos Archaea oxidadora de amônia
  13. 13. Diversidade filogenética • Subsequentes análises do gene 16S rRNA: • Revelou a presença do grupo 1 de Archaea distribuídos em vários habitats coluna d ’ água marinha, estuários, sedimentos e solos. • Ensaios em cultura significante fonte de carbono inorgânico em águas marinhas profundas e capacidade para assimilar material orgânico.
  14. 14. • Sequenciamento completo do genoma permitiu que alinhassem sequências concatenadas de proteínas ribossomais. • Permitiu a criação de uma nova divisão dentro de Archaea. • Compreende todas as Archaea oxidantes de amônia. Thaumarchaeota: Uma nova divisão dentro de Archaea
  15. 15. Hábitats ocupados • Análise do gene amoA • Os hábitats ocupados por AOA excedem àqueles compreendidos por bactérias oxidadoras de amônia. • Representante mesófilos e termófilos:  A existência de AOA termófila foi indicada pelo diagnóstico de crenarchaeol associado com o grupo 1 marinho e pela amplificação do homólogo de amoA de Archaea em fossas termais.
  16. 16. Fonte: paporecicladocomricardoinez.blogspot.com (1-5% de todos os procariotos Fonte: blogdogutemberg.blogspot.com (20-40% bacterioplâncton marinho) Fonte:noisnaniuzila.wordpress.com Crescimento a temperaturas acima de 74°C Fonte: covildokoiote.blogspot.com Fonte: impactosambientais.no.sapo.pt Geotermal
  17. 17. Fonte: Microbiologia de Brock, 13° edição. Ciclo do nitrogênio
  18. 18. Ciclo do nitrogênio Fixação do nitrogênio Amonificação Nitrificação Requer alta energia para clivar a ligação N2 ou N2O Desnitrificação Prejudicial na agricultura Importante no tratamento de efluentes Decomposição de compostos orgânicos nitrogenados NH3 NO2 -  NO3 - Anammox Oxidação anaeróbia NH3 + NO2 -  N2 bactérias (AOB)
  19. 19. Fisiologia pH neutro Km NH3 = 3 nM Km  Afinidade [NH3] > 1 mM Nitrosopumilus maritimus Oligotróficos extremos Km (NH3+NH4 +) = 132 nM 1 NH3 + 1.5 O2  1 NO2 −+ H2O + H+ = AOB Reação de oxidação da NH3
  20. 20. Afinidade por NH3 >50% de atividade máxima 1 Könneke, et al.,2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizingmarine archaeon. Nature 437:543-546. 200mM NH4 + NH4OH Nitrososphaera gargensis
  21. 21. Fisiologia Km AOB 200x Km N. maritimus Afinidade NH3 = 69.000 L/gh MAIOR AFINIDADE DE UM MICRO- ORGANISMO POR UM SUBSTRATRO
  22. 22. Fisiologia AOA  Oligotróficas extremas Populações marinhas [NH3]  nM NH3 AOB Competição
  23. 23. Afinidade por O2 N. maritimus Micro-organismo Aeróbios (~4μM) = AOA NO2 - Oxidadoras de NH3 anaeróbicas Zonas com O2 Afinidade O2 maior
  24. 24. AOA de solo Poucos dados fisiológicos  cultura recentemente Nitrososphaera viennensis [NH3] N. maritimus Capaz de iniciar o crescimento em concentrações > 10mM Nitrito  3mM Crescimento Metabólito ou Intermediário É observado in situ AOA cresce em várias [NH3] AOB [NH3] inicial
  25. 25. Concentração total de NH3/NH4 +  7 mg NH3-N/L (pH 8) = 100 mg N total/L 0.0007 mg NH3-N/L (pH 4) AOA Acidófila Nitrosotalea devanaterra • 1º oxidador de NH3 acidófilo • Encontrado em solos ácidos • pH ótimo 4 a 5 • Taxas de nitrificação  solos ácidos AOB NH4 + é o substrato NH3 é o substrato 1 un de pH 10x NH3
  26. 26. Fisiologia Esta preferência, ou requisito, de NH4 + pode ser verdade para populações marinhas Valor de meia saturação = 100mM NH4 + [NH3] = 1-3 mM pH 7 N. maritimus Catabolismo (oxidação) de NH3 Anabolismo (assimilação) ≠
  27. 27. Solo taxas de nitrificação Estudos moleculares (amoA) abundância e atividade nitrificadores AOBAOA Competição Sistemas  altas adicões diretas de NH3 inorgânico Sistemas  Mineralização AOA AOB Competição Afinidade NH3
  28. 28. Fisiologia Quimioautotróficos e oligotróficos extremos Elemento-chave Nitrificação Taxa de oxidação da NH3 Limita a velocidade da nitrificação Interações tróficas Ciclo do nitrogênio Função chave NO2 – + NH3  2 N2
  29. 29. Fisiologia Archaea Altas Temp.pH ácidoBaixa [NH3] Ciclo do N totalmente funcional Nº maior de habitats
  30. 30. Fisiologia Se compete eficazmente Oceanos AOA Fitoplânctons Heterotróficos Autotróficos AOA Plantas Micro- organismos Solos Então, a assimilação da NH3 é uma via de menor importância para o metabolismo de NH3 através da mineralização da matéria orgânica
  31. 31. Fisiologia • Assim, AOA deve forçar outros grupos a investir no poder de redução de NO3 -/NO2 -  NH3 para a biossíntese. • A resolução  assimilação vs oxidação da NH3  é de grande importância para um melhor entendimento dos controles dos micro-organismos da forma de nitrogênio e disponibilidade associada a micro e macrobiota em ambos os sistemas marítimos e terrestres.
  32. 32. Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos? • Nitrososphaera gargensis e Nitrososphaera viennensis usam CO2 como única fonte de C. • Foram encontrados genes relacionados com assimilação autotrófica de carbono. • Estudos com CO2 com 13C  encontrados na Archaea.
  33. 33. • Alguns AOA usam compostos orgânicos porém outros são inibidos. • Captação de aminoácidos por Archaea planctônicas. • Estudos com isótopos em comunidades do oceano Atlântico também indica esta captação de aminoácidos. Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos?
  34. 34. Autotróficos, Mixotróficos e Heterotróficos? • Aumento no crescimento de N. viennensis em cultura com adição de piruvato. • Genes do CAC foram encontrados em N. maritimus como transportadores de aminoácidos, dipeptídeos/oligopeptídeo.
  35. 35. Genômica comparativa • Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
  36. 36. Genômica comparativa • Apenas oito espécies foram isoladas; • Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.
  37. 37. Três diferenças principais nos sistemas de oxidação da amônia e na fixação do carbono: •Cobre é o principal metal redox ativo (mais que o ferro); •Ausência de qualquer homólogo de oxirredutases bacterianas (hydroxylamine oxireductase, HAO) responsáveis pela oxidação da hidroxilamina em nitrito; •Variações no Ciclo do Carbono. Genômica comparativa
  38. 38. • Oxidação da amônia em bactérias (e.g., Nitrosomonas europaea); • Amônia é oxidada em NH2OH pelo complexo enzimático AMO (genes amoC, amoA e amoB) • Hidroxilamina é oxidada em Nitrito no periplasma. Bioquímica
  39. 39. Bioquímica Intermediário no processo oxidativo: •Hydroxylamine:
  40. 40. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • (1) bacterial type; Bioquímica
  41. 41. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • NO, produzido pela redução do nitrito, na presença de CuNIR, seria o "gerador" de elétrons. Bioquímica
  42. 42. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO; • (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela AMO; • (3) Presença de HNO; Bioquímica
  43. 43. Bioquímica • Análises genômicas: Via metabólica única para oxidação do NH3, sendo o Cobre (Cu) o maior metal redox ativo; • O produto da oxidação do NH3 não parece ser NH2OH, ou alternativamente, Thaumarchaeota usam um sistema distinto para oxidação e transferência de elétrons de NH2OH; • Investigar o metabolismo de NH2OH em Nitrosopumilus maritimus;
  44. 44. Bioquímica • Oxidação da Amônia NH3 em NO2- por N. maritimus via NH2OH; • NH2OH é produto da oxidação da amônia.
  45. 45. Genômica comparativa: ciclo celular Genes homólogos aos presente nos sistemas CdvABC (eucariotos) e FtsZ (bactérias e outros grupos de arquéias); • AOA apresentam ambos os sistemas; • Citometria de fluxo e imunoflorescência para analisar o ciclo e divisão celular de N. maritimus;
  46. 46. Genômica comparativa: ciclo celular •AOA apresentam ambos os sistemas; Expressão de CdvA, CdvB e CdvC estão associadas ao ciclo celular; •Sistema Cdv (ESCRT-III-like) em N. maritimus; •FtsZ (?): segregação e crescimento celular (?);
  47. 47. Genômica comparativa: ciclo celular •Divisão celular lenta (15 - 18h): adaptação em ambientes com limitação extrema de nutrientes;
  48. 48. Química atmosférica •Maior produção de (N20) em oceanos por AOA;
  49. 49. Obrigado!!!

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