باکتری‌ دریای عمیق، راز کاهش نیتروکسید را فاش می‌کند

گاز نیتروس اکسید و چالش‌های کاهش آن

گاز نیتروس اکسید (N2O) سومین گاز گلخانه‌ای قوی بعد از دی‌اکسید کربن و متان است. این گاز می‌تواند از طریق فرآیندهای فیزیکی اکسید شود و به مواد تخریب‌کننده اوزون تبدیل گردد. غلظت‌های جوی N2O از دوران پیش‌صنعتی افزایش یافته است و این موضوع کاهش N2O را به یک چالش جهانی تبدیل کرده است.

منابع بیولوژیکی کاهش N2O

تنها منبع شناخته‌شده بیولوژیکی کاهش N2O در زیست‌کره، دنیتریفیکاسیون میکروبی است. دنیتریفیکاسیون یک سری واکنش‌های کاهشی است که با نیترات آغاز و با کاهش N2O به گاز نیتروژن پایان می‌یابد، بدون اینکه اثر گلخانه‌ای داشته باشد. این واکنش منحصر به میکروارگانیسم‌هایی است که دارای آنزیم N2O کاهنده (N2OR; NosZ) هستند، و این موضوع اهمیت شناسایی مکانیزم‌های مولکولی را که فعالیت بالای کاهش N2O را میانجی‌گری می‌کنند، نشان می‌دهد.

تحقیقات دانشگاه هوکایدو

محققان دانشگاه هوکایدو، به همراه همکاران خود در مؤسسه تحقیقات فیزیکی و شیمیایی (RIKEN) و دانشگاه واشنگتن، به بررسی مکانیزم‌های مولکولی زیرساختی کاهش N2O در یک گونه میکروبی به نام Nitrosophilus labii HRV44T پرداختند. این گونه در سال 2020 توسط محققان دانشگاه هوکایدو از یک چشمه هیدرروترمال در اعماق دریا کشف شد. تیم تحقیقاتی به تازگی نتایج خود را در نشریه iScience منتشر کرده است.

روش‌های نوین تحلیل ژنتیکی

تیم تحقیقاتی یک روش توسعه داد که به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا تحلیل بیان ژن در سطح ژنوم را در طول زمان، به نام ترنسکریپتوم، با استفاده از RNA استخراج‌شده از تعداد بسیار کمی از سلول‌ها انجام دهند. “تحلیل ترنسکریپتوم زمانی HRV44T در پاسخ به N2O چالش‌برانگیزتر از آنچه انتظار می‌رفت بود”، گفت نویسنده مسئول، سایاکا مینو، استادیار دانشکده علوم شیلات دانشگاه هوکایدو.

تحلیل ترنسکریپتومیک در میکروارگانیسم‌ها

ما تحلیل ترنسکریپتومیک را با استفاده از روش‌هایی که معمولاً در مطالعات میکروبی به کار می‌روند، انجام دادیم. با این حال، نتوانستیم دینامیک بیان ژن را در زمان‌های کوتاه به خوبی ثبت کنیم، زیرا امکان استخراج RNA کافی از چند سلول وجود نداشت. روش مورد استفاده در این مطالعه نیاز به تنها ۱ نانوگرم RNA پیام‌رسان (mRNA) دارد که آن را برای تحلیل در چگالی‌های سلولی پایین، جایی که استخراج RNA از آن‌ها دشوار است، مفید می‌سازد.

یافته‌های جدید در مورد بیان ژن‌های دنیتریفیکاسیون

پروفایل‌سازی ترنسکریپتومیک زمان‌سنجی HRV44T نشان داد که N2O یک القاکننده حیاتی برای بیان ژن‌های دنیتریفیکاسیون، از جمله ژن‌های nos نیست، زیرا این ژن‌ها حتی در غیاب اکسیدهای نیتروژن به عنوان پذیرنده‌های الکترون، در شرایط بی‌هوازی بیان می‌شوند. ما فرض می‌کنیم که این ویژگی ممکن است به متابولیسم انرژی کارآمد در محیط‌های هیدروترمال عمیق دریا کمک کند، جایی که پذیرنده‌های الکترون جایگزین گاهی اوقات کاهش می‌یابند،» گفت رابرت م. موریس، استاد دانشگاه واشنگتن.

جیرو تسوچیا، نویسنده اول و پژوهشگر JSPS DC2 در دانشگاه هوکایدو، و همکارانش یک تحلیل آماری از داده‌های زمان‌سنجی انجام دادند. «یافته‌های ما نشان می‌دهد که ژن دنیتریفیکاسیون nosZ تحت تأثیر تنظیم‌کننده‌های ترنسکریپشن منفی قرار دارد که معمولاً به عنوان فعال‌کننده‌های ترنسکریپشن در پاسخ به تغییرات محیطی عمل می‌کنند. اگرچه هنوز نیاز به بررسی بیشتر این نتیجه داریم، مطالعه ما درک ما از مکانیسم‌های تنظیمی کنترل بیان ژن در N2O-reducers را گسترش می‌دهد و ممکن است به افزایش توانایی آن‌ها در تنفس N2O کمک کند»، گفت تسوچیا.

پتانسیل میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های هیدروترمال عمیق دریا

محیط‌های هیدروترمال عمیق دریا دارای گرادیان‌های شیمیایی و فیزیکی تند هستند که آن‌ها را به نقاط داغی برای منابع زیستی تبدیل می‌کند. این مطالعه نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌ها در این محیط‌ها می‌توانند به کاهش N2O کمک کنند که ممکن است در مبارزه با تغییرات اقلیمی مؤثر باشد. جستجوی منابع میکروبی با کارایی بالا در کاهش گازهای گلخانه‌ای، بهینه‌سازی توانایی‌های آن‌ها و روشن‌سازی مکانیسم‌های مولکولی خاص این میکروارگانیسم‌ها به توسعه فناوری‌های ترمیم محیط زیست توسط میکروارگانیسم‌ها کمک خواهد کرد.