Industriële en agrarische activiteiten produceren grote hoeveelheden methaan, een broeikasgas dat bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Veel bacteriën produceren ook methaan als bijproduct van hun metabolisme. Een deel van dit natuurlijk vrijgekomen methaan komt uit de oceaan, een fenomeen dat wetenschappers lang in verwarring heeft gebracht omdat er geen bekende methaanproducerende organismen in de buurt van het oceaanoppervlak leven.

Een team van onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft een ontdekking gedaan die zou kunnen helpen om deze 'methaanparadox in de oceaan' te beantwoorden. Eerst, ze identificeerden de structuur van een enzym dat een verbinding kan produceren waarvan bekend is dat deze wordt omgezet in methaan. Vervolgens, ze gebruikten die informatie om aan te tonen dat dit enzym voorkomt in enkele van de meest voorkomende mariene microben. Ze geloven dat deze verbinding waarschijnlijk de bron is van methaangas dat vrijkomt in de atmosfeer boven de oceaan.

Door de oceaan geproduceerd methaan vertegenwoordigt ongeveer 4 procent van het totaal dat in de atmosfeer wordt geloosd, en een beter begrip van waar dit methaan vandaan komt, zou wetenschappers kunnen helpen om de rol ervan in klimaatverandering beter te verklaren, zeggen de onderzoekers.

"Het begrijpen van de wereldwijde koolstofcyclus is erg belangrijk, vooral als we het hebben over klimaatverandering, " zegt Catherine Drennan, een MIT-professor scheikunde en biologie en Howard Hughes Medical Institute Investigator. "Waar komt methaan echt vandaan? Hoe wordt het gebruikt? Het begrijpen van de flux van de natuur is belangrijke informatie om in al die discussies te hebben."

Drennan en Wilfred van der Donk, een professor in de chemie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, zijn de senior auteurs van het papier, die verschijnt in de online editie van 7 december van Wetenschap . Hoofdauteurs zijn David Born, een afgestudeerde student aan MIT en Harvard University, en Emily Ulrich, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Het mysterie oplossen

Veel bacteriën produceren methaan als bijproduct van hun metabolisme, maar de meeste van deze bacteriën leven in zuurstofarme omgevingen zoals de diepe oceaan of het spijsverteringskanaal van dieren - niet in de buurt van het oceaanoppervlak.

Een aantal jaar geleden, van der Donk en William Metcalf, een collega van de Universiteit van Illinois, vonden een mogelijke aanwijzing voor het mysterie van methaan in de oceaan:ze ontdekten een microbieel enzym dat een verbinding produceert die methylfosfonaat wordt genoemd, dat methaan kan worden als er een fosfaatmolecuul van wordt afgesplitst. Dit enzym werd gevonden in een microbe genaamd Nitrosopumilus maritimus, die in de buurt van het oceaanoppervlak leeft, maar het enzym werd niet gemakkelijk geïdentificeerd in andere oceaanmicroben zoals men zou verwachten.

Van der Donks team kende de genetische volgorde van het enzym, bekend als methylfosfonaatsynthase (MPnS), waardoor ze naar andere versies ervan konden zoeken in de genomen van andere microben. Echter, elke keer dat ze een potentiële match vonden, het enzym bleek een verwant enzym te zijn dat hydroxyethylfosfonaatdioxygenase (HEPD) wordt genoemd, die een product genereert dat sterk lijkt op methylfosfonaat, maar niet kan worden gesplitst om methaan te produceren.

Van der Donk vroeg Drennan, een expert in het bepalen van chemische structuren van eiwitten, als ze kon proberen de structuur van MPnS te onthullen, in de hoop dat het hen zou helpen meer varianten van het enzym in andere bacteriën te vinden.

Om de structuur te vinden, het MIT-team gebruikte röntgenkristallografie, die ze uitvoerden in een speciale kamer zonder zuurstof. Ze wisten dat het enzym zuurstof nodig heeft om de productie van methylfosfonaat te katalyseren, dus door zuurstof te elimineren, waren ze in staat om snapshots te maken van het enzym terwijl het aan de noodzakelijke reactiepartners bond, maar voordat het de reactie uitvoerde.

De onderzoekers vergeleken de kristallografiegegevens van MPnS met het verwante HEPD-enzym en vonden één klein maar cruciaal verschil. In de actieve plaats van beide enzymen (het deel van het eiwit dat chemische reacties katalyseert), er is een aminozuur dat glutamine wordt genoemd. In MPnS, dit glutaminemolecuul bindt aan ijzer, een noodzakelijke cofactor voor de productie van methylfosfonaat. De glutamine wordt in een ijzerbindende oriëntatie gefixeerd door het omvangrijke aminozuur isoleucine, die direct onder de glutamine in MPnS ligt. Echter, bij HEPD, de isoleucine wordt vervangen door glycine, en de glutamine is vrij om te herschikken, zodat het niet langer gebonden is aan ijzer.

"We waren op zoek naar verschillen die zouden leiden tot verschillende producten, en dat was het enige verschil dat we zagen, " zegt Born. Verder, de onderzoekers ontdekten dat het veranderen van de glycine in HEPD in isoleucine voldoende was om het enzym om te zetten in een MPnS.

Een overvloedig enzym

Door databases met genetische sequenties van duizenden microben te doorzoeken, de onderzoekers vonden honderden enzymen met dezelfde structurele configuratie als in hun oorspronkelijke MPnS-enzym. Verder, al deze werden gevonden in microben die in de oceaan leven, en één werd gevonden in een stam van een extreem overvloedige oceaanmicrobe die bekend staat als Pelagibacter ubique.

Het is nog onbekend welke functie dit enzym en zijn product dienen in oceaanbacteriën. Van methylfosfonaten wordt aangenomen dat ze worden opgenomen in vetmoleculen die fosfonolipiden worden genoemd. die vergelijkbaar zijn met de fosfolipiden die celmembranen vormen.

"De functie van deze fosfonolipiden is niet goed ingeburgerd, hoewel ze al tientallen jaren bekend zijn. Dat is een heel interessante vraag om te stellen, ' zegt Born. 'Nu weten we dat ze in grote hoeveelheden worden geproduceerd, vooral in de oceaan, maar we weten eigenlijk niet wat ze doen of hoe ze het organisme ten goede komen."

Een andere belangrijke vraag is hoe de productie van methaan door deze organismen wordt beïnvloed door de omgevingsomstandigheden in de oceaan, inclusief temperatuur en vervuiling zoals afvloeiing van kunstmest.

"We weten dat splitsing van methylfosfonaat optreedt wanneer microben honger lijden naar fosfor, maar we moeten uitzoeken welke voedingsstoffen hieraan verbonden zijn, en hoe is dat verbonden met de pH van de oceaan, en hoe is het verbonden met de temperatuur van de oceaan, "zegt Drennan. "We hebben al die informatie nodig om te kunnen nadenken over wat we doen, zodat we intelligente beslissingen kunnen nemen over de bescherming van de oceanen."