باکتری‌های اعماق دریا؛ کلید کاهش آلودگی نیتروس‌اکساید!

نیتروس اکسید: چالش جهانی کاهش گازهای گلخانه‌ای

نیتروس اکسید (N2O) سومین گاز گلخانه‌ای قوی پس از دی‌اکسید کربن و متان است. این گاز می‌تواند از طریق فرآیندهای فیزیکی اکسید شده و مواد مخرب اوزون را تشکیل دهد. غلظت‌های جوی N2O از دوران پیش‌صنعتی افزایش یافته و این مسأله کاهش N2O را به یک چالش جهانی تبدیل کرده است. تنها منبع بیولوژیکی شناخته شده برای کاهش N2O در زیست‌کره، دنیتریفیکاسیون میکروبی است.

دنیتریفیکاسیون: واکنشی بدون اثر گلخانه‌ای

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 مختص میکروارگانیسم‌های دارای آنزیم N2O ردوکتاز (N2OR; NosZ) است، که 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 موسسه تحقیقات فیزیکی و شیمیایی (RIKEN) و دانشگاه واشنگتن، مکانیزم‌های مولکولی پشت کاهش N2O در یک گونه میکروبی به نام Nitrosophilus labii HRV44T را بررسی کردند. این گونه در سال 2020 توسط محققان دانشگاه هوکایدو در یک چشمه هیدروترمال در اعماق دریا کشف شده بود. تیم تحقیقاتی به تازگی نتایج خود را در نشریه iScience منتشر کرده است.

تحلیل ترنسکریپتوم

تیم تحقیقاتی روشی را توسعه داد که به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا تحلیل بیان ژن در سطح ژنوم را در طول زمان، که به آن ترنسکریپتوم می‌گویند، با استفاده از RNA استخراج شده از تعداد بسیار کمی از سلول‌ها انجام دهند. سایاکا مینو، نویسنده مسئول و استادیار دانشکده علوم شیلات دانشگاه هوکایدو، گفت: “تحلیل ترنسکریپتوم زمان‌سنجی HRV44T در پاسخ به N2O دشواری بیشتری از آنچه که انتظار می‌رفت، داشت.”

تحلیل ترنسکریپتومیک و تأثیر آن بر نیتروژن‌زدایی

ما تحلیل ترنسکریپتومیک را با استفاده از روش‌هایی که معمولاً در مطالعات میکروبی به کار می‌روند، انجام دادیم؛ اما نتوانستیم دینامیک بیان ژن را در مقیاس‌های زمانی کوتاه ثبت کنیم، زیرا از چند سلول تنها مقدار کافی RNA به دست نیاوردیم. روش ارائه‌شده در این مطالعه تنها به ۱ نانوگرم RNA پیام‌رسان (mRNA) نیاز دارد که این ویژگی آن را برای تحلیل در چگالی‌های سلولی پایین، که استخراج RNA از آن‌ها دشوار است، مفید می‌سازد.

پروفایل‌سازی ترنسکریپتومیک سری زمانی HRV44T نشان داد که N2O به عنوان یک القاکننده بحرانی برای بیان ژن‌های نیتروژن‌زدایی، از جمله ژن‌های nos، عمل نمی‌کند. این ژن‌ها حتی در غیاب اکسیدهای نیتروژن به عنوان پذیرنده‌های الکترون، تحت شرایط بی‌هوازی بیان می‌شوند. ما فرض می‌کنیم که این ویژگی ممکن است به متابولیسم‌های انرژی کارآمد در محیط‌های هیدروترمال اعماق دریا کمک کند، جایی که پذیرنده‌های الکترون جایگزین گاهی اوقات کاهش می‌یابند،» گفت رابرت م. موریس، استاد همکار در دانشگاه واشنگتن.

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

محیط‌های هیدروترمال اعماق دریا دارای شیب‌های شیمیایی و فیزیکی تند هستند که آن‌ها را به نقاط داغی برای منابع زیستی تبدیل می‌کند. این مطالعه پتانسیل میکروارگانیسم‌ها در این محیط‌ها را برای کمک به کاهش N2O که ممکن است در مقابله با تغییرات اقلیمی مؤثر باشد، نشان می‌دهد. جستجوی منابع میکروبی با کارایی بالا در کاهش گازهای گلخانه‌ای، بهینه‌سازی توانایی‌های آن‌ها و روشن‌سازی مکانیزم‌های مولکولی خاص این میکروارگانیسم‌ها، به توسعه فناوری‌هایی برای ترمیم محیطی توسط میکروارگانیسم‌ها کمک خواهد کرد.