Geosmina, Streptomyces i els camells

5 abril 2022

Click here for the English version: Geosmin, Streptomyces and camels

Us preguntareu de què va això. Encara que “Geosmina” sembla un nom maco per posar-li a una nena, no crec que n’hi hagi gaires al món amb aquest nom (Piqueras 2016). Doncs bé, com ara comentaré, la geosmina és un dels principals compostos que fan olor de pluja o terra mullada, que és produït per Streptomyces i altres bacteris, i que sembla que els camells al desert podrien detectar des de llargues distàncies per trobar aigua.

OLOR DE PLUJA: el PETRICOR i la GEOSMINA

De l’olor d’humitat o aroma característica que provoca la pluja en caure als sòls eixuts se’n diu petricor, que en grec és més o menys “líquid de les pedres”. El petricor és una olor com dolça, fresca i agradable, té una complexa composició i en prevalen la geosmina —d’origen microbià— i un conjunt d’olis aromàtics alliberats per moltes plantes. Aquests olis, que retarden la germinació de les llavors, són traspuats per les plantes en períodes de sequera per tal de protegir a les llavors, evitant que germinin (Bear & Thomas 1965). Els olis queden adsorbits al terra, sobretot argilós, i quan comença a ploure, les gotes de pluja colpegen la superfície i alliberen aerosols a l’aire transportant aquests compostos aromàtics, que formen part del perceptible olor de petricor. Un cop plou, l’aigua renta aquests olis del sòl, que deixen d’inhibir la germinació, i tot seguit hi ha una ràpida resposta de llavors germinant. 

A banda d’aquests olis aromàtics vegetals, la geosmina és l’altre constituent principal de l’olor de petricor que percebem quan comença a ploure. Com veurem, és produïda per microbis —sobretot actinobacteris com Streptomyces. Els aerosols provocats per les gotes de pluja en caure contenen milions d’aquests bacteris productors de geosmina, que són transportats per l’aire, disseminant durant una estona l’aroma de pluja recent (Portillo 2020).

Cal esmentar també l’ozó com a relacionat en part amb l’olor de pluja. A vegades aquest O₃ de sensació punxent pot ser detectat, sobretot prèviament a la pluja, degut a l’activitat elèctrica de les tempestes (Sen 2016).

La GEOSMINA

El nom ve del grec (geos – osmos): olor de terra. És el dimetil-octahidro-naftalenol (C₁₂H₂₂O), un alcohol bicíclic no aromàtic sense nitrogen (Figura 1). La forma natural és l’isòmer (–). En solució àcida és transformat en argosmina, que té la mateixa estructura però sense el grup -OH, i que no fa olor.

Figura 1. La Geosmina, compost amb aroma de la terra recent mullada.

Els humans, com molts altres animals, podem detectar aquesta molècula a l’aire en molt baixa concentració. El nostre llindar olfactiu de la (–)geosmina és al voltant d’alguns nanograms per litre d’aire, o sigui de parts per trilió (10^-12) (Cotton 2009). Aquesta alta sensibilitat olfactiva de molts animals se suposa que està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua de pluja per beure, i el fet que la majoria dels humans trobem agradable aquesta olor pot estar relacionat amb què per als nostres avantpassats això anava lligat a la supervivència (Palermo 2013).

Malgrat això, la geosmina també es relaciona amb mala qualitat d’aigua i d’aliments, ja que és un subproducte del metabolisme microbià, com tot seguit veurem, i per tant va lligat al creixement dels microorganismes. Per exemple, pot donar un mal gust, com terròs, al vi, a l’aigua de consum i al peix i marisc (Coca-Ruiz et al 2022). Un altre compost que també contribueix de forma similar a aquests problemes és el 2-metilisoborneol, un altre terpè produït també per Streptomyces i cianobacteris (Juttner & Watson 2007).

ORGANISMES PRODUCTORS DE GEOSMINA

La geosmina és produïda per molt diversos grups de bacteris, sobretot dels fílums Actinobacteria, Cyanobacteria i els mixobacteris (del fílum Delta-proteobacteria). Us recordo que podeu veure la relació dels principals fílums bacterians al meu post del 7 abril 2020. La geosmina també pot ser produïda per uns quants eucariotes, incloent fongs, hepàtiques, insectes i alguns plantes (Coca-Ruiz et al 2022).

De tots ells, els principals productors de geosmina són els Streptomyces, dins el fílum Actinobacteria. Aquests, abans també anomenats actinomicets, són bacteris grampositius heteròtrofs, de DNA amb alt G+C, i de formes irregulars o filamentoses. Els Streptomyces —gènere que inclou més de 500 espècies— són aerobis, formen un complex miceli filamentós d’hifes ben desenvolupades, i es dispersen amb conidiòspores, espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs però procariotes (Figura 2). Són molt abundants al sòl i la vegetació, i tenen un complex metabolisme secundari, per la qual cosa són molt importants industrialment i en biotecnologia. Són productors de 2/3 dels antibiòtics naturals, tant antibacterians com antifúngics, i també produeixen antiparasitaris, anticancerígens i són emprats com vectors d’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

Figura 2. Esquema de secció d’una colònia de Streptomyces creixent en agar, amb les morfologies característiques dels micelis vegetatiu i aeri, i les cadenes de conidiòspores (imatge treta de Li et al. 2016).

RUTA de BIOSÍNTESI de la GEOSMINA als STREPTOMYCES

Encara que la ruta biosintètica de la geosmina s’ha estudiat a diferents bacteris que la produeixen, incloent cianobacteris i deltaproteobacteris, lògicament els Streptomyces han estat els més estudiats. Fou aïllada per primer cop per Gerber & Lechevalier (1965) en una fermentació de S. griseus i recentment s’ha estudiat sobretot a S. coelicolor (Figura 3), perquè és una espècie model o prototip dels Actinobacteria, la seva genètica es coneix molt bé i el seu cromosoma lineal de 8.7 Mb va ser dels primers amb seqüència completa (Cane & Watt 2003). S. coelicolor és una de les principals espècies on s’han conegut bé els gens de biosíntesi de tots els terpenoides (Cane & Ikeda 2012). Des del punt de vista taxonòmic, S. coelicolor ha estat reclassificada dins l’espècie-grup Streptomyces albidoflavus (Rong et al. 2009).

Figura 3. Colònies de Streptomyces coelicolor, amb un característic pigment blau cel (imatge treta de John Innes Centre 2003).

Malgrat que aquesta ruta biosintètica ha estat molt estudiada durant anys, no ha estat resolta en detall fins fa poc. La geosmina és un metabòlit secundari, o sigui, del metabolisme de síntesi de compostos que no tenen una funció clara en els processos de creixement i manteniment cel·lular. Els metabòlits secundaris, per a l’organisme que els produeix, tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques, com competència amb altres organismes (ex. antibiòtics, toxines) o de protecció (ex. pigments, alcaloides) o de comunicació amb altres cèl·lules o organismes (ex. feromones). Dins dels possibles metabòlits secundaris, la geosmina és del grup dels terpens, que es deriven de l’isoprè o la seva forma activa pirofosfat d’isopentenil (C5), procedent del mevalonat format a partir de l’acetil-CoA (Figura 4). 

Figura 4. Inici de la ruta de biosíntesi dels terpens, presents a molts procariotes i a la majoria d’eucariotes, sobretot fongs i plantes.

Encara que els terpens són biosintetitzats per moltes plantes, la diversitat i funcions dels d’origen microbià és enorme. Vegeu al respecte la recent excel·lent revisió de Avalos et al. (2022). Com passa amb altres metabòlits secundaris, els terpens microbians tenen funcions bioecològiques de competència i defensa, interaccions amb l’hoste, comunicació i senyalització intercel·lular, i resposta a l’estrès per temperatura o pH.

Per polimerització a partir de la unitat bàsica C5 dels terpens i altres reaccions es formen els monoterpens (C10), sesquiterpens (C15), diterpens (C20), i els C25, C30 i C40, que inclouen molts aromes i fragàncies de les plantes, els esteroides, alcaloides, carotens i altres metabòlits secundaris. La geosmina en concret és el compost més representatiu i interessant de la família dels tri-nor-sesquiterpens, que són sesquiterpens degradats que han perdut C3 dels C15. Com veiem (Figura 5), el sesquiterpè bàsic —difosfat de farnesil (FPP)— és convertit en germacradienol, i aquest alliberant acetona (C3) dóna dimetiloctalina, la qual ja és C12 i precursora de la geosmina (Coca-Ruiz et al. 2022).

Figura 5. Biosíntesi de la geosmina (C₁₂H₂₂O) per Streptomyces i altres bacteris, a partir del difosfat de farnesil (FPP), un sesquiterpè (tret de Sen 2016, Jiang et al. 2007, i Coca-Ruiz et al. 2022).

Sorprenentment, aquesta conversió complexa del FPP a la geosmina a S. coelicolor és catalitzada per un sol enzimbifuncional de 726 aminoàcids, germacradienol/geosmina sintasa, del qual el domini N-terminal converteix i cicla el FPP a germacradienol i el domini C-terminal fa la resta, incloent la geosmina sintasa. Ambdues part són dependents de Mg²⁺ (Jiang et al. 2007).

El gen (SC9B1.20 = SCO6073) que codifica per a aquest enzim a S. coelicolor (soca A3(2)) fou caracteritzat en primer lloc per Cane & Watt (2003) i Gust et al. (2003). Posteriorment s’han trobats gens homòlegs a molts dels altres bacteris productors de geosmina, ja siguin cianobacteris o delta-proteobacteris o gamma-proteobacteris o altres actinobacteris (Figura 6) (Churro et al. 2020).

També recentment s’ha vist que aquest gen de la geosmina sintasa, així com el de la sintasa del 2-metilisoborneol —l’esmentat altre terpè amb aroma de pluja de Streptomyces— tenen uns factors de transcripció específics d’esporulació que fa que s’expressin només en les colònies de Streptomyces que estan esporulant (Becher et al. 2020), la qual cosa està relacionada amb la seva funció de dispersió del bacteri, com ara veurem.

Figura 6. Esquema del clúster gènic de geosmina amb el gen de geosmina-sintasa (geoA) i altres gens relacionats, amb diversos arranjaments a diversos bacteris dels Cyanobacteria Cyano), Deltaproteobacteria (Delta), Gammaproteobacteria(Gamma) i Actinobacteria (Actino). cnb és el gen de la proteïna lligand de nucleòtids cíclics (tret de Churro et al. 2020).

I PERQUÈ STREPTOMYCES PRODUEIX LA GEOSMINA ?

Com hem vist, els metabòlits secundaris com la geosmina tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques o amb altres organismes, que d’alguna manera beneficien la supervivència de l’organisme que els produeix. 

En el cas de la geosmina, sembla que el característic olor de terra humida atrau molt diversos organismes, i entre aquests hi ha diversos invertebrats, els quals es menjarien o adsorbirien els bacteris productors de l’olor, i amb això ajudarien a escampar-ne les espores per tal que els bacteris puguin colonitzar altres terrenys.

Entre aquests invertebrats hi ha sobretot els col·lèmbols. Aquests són minúsculs (5 mm) artròpodes àpters hexàpodes, parents dels insectes, molt abundants a tots els hàbitats de tota la Terra on hi hagi humus o matèria orgànica en descomposició. S’ha vist que Folsomia candida —una de les 8000 espècies de col·lèmbols— (Figura 7) és atreta per la geosmina produïda per Streptomyces, i s’alimenta de les colònies de l’actinobacteri. Amb això, el col·lèmbol dissemina les espores bacterianes a través de les femtes i també perquè se li adhereixen a la cutícula. A més, com he comentat abans, la geosmina només es produeix en la fase d’esporulació de Streptomyces (Becher et al. 2020). Per tant, la funció final de la geosmina és la dispersió del bacteri mitjançant els artròpodes del sòl.

Figura 7. El col·lèmbol Folsomia candida és atret per la geosmina (imatge treta de Ryszard, Flickr). 

…..

GEOSMINA i els CAMELLS, i els CANGURS, i altres

Ara bé, aquests artròpodes no són els únics animals atrets per la geosmina. Com he dit al principi, els humans mateixos tenim una alta sensibilitat olfactiva per detectar aquest compost en concentracions molt baixes. És probable que la sensibilitat per aquest compost ja la tenien els primers animals perquè els actinobacteris productors de geosmina són evolutivament previs (Chater 2015). En molts casos, es creu que l’atracció està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua per beure. 

Els camells són el cas més impressionant, ja que alguns del desert de Gobi són capaços de trobar aigua a més de 80 quilòmetres de distància (Simons 2003). Els camells són mamífers ungulats remugants, pràcticament tots domèstics, molt resistents i molt adaptats als deserts. Són bàsicament 2 espècies: el dromedari o camell comú d’una gepa (Camelus dromedarius) del nord d’Àfrica i península aràbiga, i el camell bactrià (Camelus bactrianus) de 2 gepes del Gobi a Mongòlia i Xina. Poden aguantar sense aigua viatjant pel desert, i quasi sense menjar, durant 3 dies a l’estiu i més de 7 dies a l’hivern. Amb aquestes condicions poden arribar a perdre un 30% del pes corporal sense deshidratar-se, degut a què emmagatzemen aigua intracel·lular com extracel·lular a diferents parts del cos com la sang i el tracte digestiu i quasi tots els òrgans del cos. No és el cas dels característics geps, que són reserves de teixit adipós (Kakar et al. 2011). 

Figura 8. El camell bactrià Camelus bactrianus del desert de Gobi a Mongòlia (imatge de Afhunta 123RF).

Doncs bé, sembla que el fet que els camells puguin trobar aigua des de llocs tan llunyans és gràcies a les molècules de geosmina que el seu bon olfacte detecta. Als terrenys humits (oasis o similars) haurien crescut Streptomyces i altres microorganismes que en esporular excretarien la geosmina que seria transportada per l’aire. En arribar els camells al lloc amb aigua i beure’n, podrien captar les espores del bacteri, i ajudar a la seva propagació portant-les allà on vagin (Simons 2003). Per tant, la geosmina en aquest cas podria ser un mecanisme de disseminació dels bacteris, de forma semblant a com hem vist amb als col·lèmbols.

Hi ha molts altres casos d’animals que detecten la geosmina com a senyal d’aigua o de pluja, i en molts casos això és d’importància vital. En un estudi fet a Austràlia amb cangurs es va veure que just unes 2 setmanes després d’unes bones pluges el 65% de les femelles observades estaven en zel. Com que els fol·licles ovàrics triguen uns 10 dies en madurar, es va concloure que l’estímul de la maduració va ser l’inici de la pluja. Aquesta afavoriria posteriorment un creixement de la vegetació i per tant de menjar disponible per als cangurs. Per tant, d’alguna manera la geosmina amb la pluja seria el senyal de previsió d’una època adient per tenir descendents (Tyndal-Biscoe 2005).

L’atracció de la geosmina no sempre és positiva: la coneguda mosca del vinagre Drosophila melanogaster també té una alta sensibilitat de detecció de la geosmina però en aquest cas la resposta és negativa, quan la detecta se’n allunya ràpidament. És un mecanisme de quimiorepulsió, amb sensors específics de geosmina a nivell neurocerebral, que fa que la mosca eviti qualsevol font de menjar que tingui aquesta olor. Això és per tal d’evitar aliments contaminats amb microorganismes tòxics, ja siguin actinobacteris o cianobacteris o altres. El principal aliment de Drosophila són els llevats que creixen fermentant fruits, i a la mosca li cal distingir molt bé els llevats sans dels que estan recoberts amb altres microbis (Stensmyr et al. 2012).

La importància de la geosmina en les interaccions bioecològiques arriba fins al punt que no només és produïda per microorganismes sinó que també la sintetitzen algunes plantes. Efectivament, s’han trobat alguns cactus i una planta de l’Amazones que les seves flors alliberen geosmina, que atrau els insectes com a senyal d’aigua, els quals accidentalment pol·linitzen la flor (Simons 2003).

Bé, i per acabar tornem als humans. Malgrat que pot ser una mala senyal trobar la geosmina als vins o a alguns aliments deteriorats, està clar que ens agrada l’olor dels camps recent mullats, perquè no deixa de ser l’olor de trobar aigua i per tant de la supervivència (Howes 2013). Per això els perfumistes l’han inclòs com a component d’algunes de les seves pocions irresistibles, bé en solucions de geosmina del 1%, o destil·lant terra assecada al sol junt amb fusta de sàndal, en un perfum que diuen que recorda “l’olor de les primeres pluges del monsó en un terra ressec” (Chater 2015).

……….

BIBLIOGRAFIA

Avalos M, Garbeva P, Vader L, van Werzel GP, Dickschat JS, Ulanova D (2022) Biosynthesis, evolution and ecology of microbial terpenids. Natural Product Reports, 39, 249-272. 

Bear I, Thomas R (1965) Petrichor and Plant Growth. Nature 207, 1415–1416. 

Becher PG, Verschut V, Bibb, MJ, Bush MJ, Molnár BP, Barane E et al. (2020) Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal. Nature Microbiology 5, 821–829.

Cane DE, Ikeda H (2012) Exploration and mining of the bacterial terpenome. Acc Chem Res 45, 3, 463-472. 

Cane DE, Watt RM (2003) Expression and mechanistic analysis of a germacradienol synthase from Streptomyces coelicolor implicated in geosmin biosynthesis. PNAS 100, 4, 1547-1551.

Chater KF (2015) The smell of the soil. Microbiology Today, May 15, 66-69. 

Churro C, Semedo-Aguiar AP, Silva AD, Pereira-Leal JB, Leite RB (2020) A novel cyanobacterial geosmin producer, revising GeoA distribution and dispersion patterns in Bacteria. Sci Rep 10, 8679.

Coca-Ruíz V, Suárez I, Aleu J, Collado IG (2022) Structures, Occurrences and Biosynthesis of 11,12,13-Tri-nor-Sesquiterpenes, an Intriguing Class of Bioactive Metabolites. Plants 11, 769. 

Cotton S (2009) Geosmine, the smell of the countryside. The molecules of the month. Bristol University School, UK.

Gerber NN, Lechevalier HA (1965) Geosmin, an earthy-smelling substance isolated from actinomycetes. Appl. Microbiol 13, 935–938.

Gust B, Challis GL, Fowler K, Kieser T, Chater KF (2003) PCR-targeted Streptomyces gene replacement identifies protein domain needed for biosynthesis of the sesquiterpene soil odor geosmin. PNAS 100, 4, 1541-1546.

Howes L (2013) Magnificent molecules: Geosmin. The Mole, 4, July 2013. 

Jiang J, He X, Cane DE (2007). Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a bifunctional Streptomyces coelicolor enzyme. Nature Chemical Biology, 3(11), 711. 

John Innes Centre (2003) Scientists discover the gene that causes the smell of the eartch and leads camels to water. Biology Online, feb 2003.

Juttner F, Watson S (2007) Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-Methylisoborneol in Source Waters. Applied and Environmental Microbiology 73, 4395–4406. 

Kakar AR, de Verdier K, Muhammad Y, Khan S, Iqbal A, Khan MS (2011) A unique and fascinating creature ! the camel. Article base.com, feb. 2011.

Li Q, Chen X, Jiang Y, Jiang C (2016) Morphological identification of actinobacteria. Actinobacteria – Basics and Biotechnological Applications, ed. D. Dhanasekaran & Y. Jiang. IntechOpen.

Palermo E (2013) Why does rain smell good ? Live Science, June 21.

Piqueras M (2016) Geosmina i la terra mullada. Blog “La lectora corrent”, 10 agost 2016. 

Portillo G (2020) Geosmina. Meteorologia en xarxa. 28 des 2020. 

Rong X, Guo Y, Huang Y (2009).Proposal to reclassify the Streptomyces albidoflavus clade on the basis of multilocus sequence analysis and DNA–DNA hybridization, and taxonomic elucidation of Streptomyces griseus subsp. solvifaciens. Systematic and Applied Microbiology 32, 5, 314-322.

Sen DJ (2016) Moist earth smelling geosmin as a terpene bicyclic alcohol. World J Pharmaceut Res 5, 8, 1-8.

Simons P (2003) Camels act on a hump. The Guardian 6 Mar 2003. 

Stensmyr MC, Dweck HKM, Farhan A, Ibba I, Strutz A, Mukunda L et al. (2012) A conserved dedicated olfactory circuit for detecting harmful microbes in Drosophila. Cell, 151, 6, 1345-1357.

Tyndale-Biscoe H (2005) Life of Marsupials. Csiro Publishing, Collingwood, Australia