Een interdisciplinair team van wetenschappers van Montana State University's College of Agriculture en College of Letters and Science heeft onlangs onderzoek gepubliceerd dat nieuw licht werpt op een voorheen onbekend element van de koolstofcyclus, dankzij gegevens die gedurende meer dan een decennium in Yellowstone National Park zijn verzameld.

Tim McDermott, een professor in MSU's Department of Land Resources and Environmental Sciences, begon in 2007 met het bestuderen van de microbiologie van Yellowstone Lake. Tijdens het verzamelen van gegevens om de chemie van het meer en de interactie van verschillende microben in het meer met de onderliggende thermische kenmerken van het park te analyseren, McDermott merkte dat er iets niet klopte.

"We kwamen wat chemische stoffen in het water van het meer tegen die nergens op sloegen, " zei McDermott. "We zagen veel methaan op plaatsen die we niet hadden verwacht en vroegen ons af, 'wat is hier aan de hand?'"

Die discrepantie illustreerde wat de 'methaanparadox' wordt genoemd. Voor jaren, wetenschappers hebben begrepen dat wanneer micro-organismen methaan produceren, ze doen het anaëroob, wat betekent dat ze geen zuurstof gebruiken. Maar in het oppervlaktewater van het meer waar het team methaan zag, geen van die organismen werd gevonden.

Methaan is een natuurlijk voorkomend gas dat bestaat uit koolstof- en waterstofatomen. Het is het bijproduct van een aantal biologische processen, hoewel menselijke activiteiten zoals steenkoolwinning en raffinage van aardgas ook methaan produceren. Het is een broeikasgas waarvan bekend is dat het veel krachtiger is bij het vasthouden van warmte in de atmosfeer dan kooldioxide, daarom zijn veel onderzoekers geïnteresseerd in het identificeren van waar in de biosfeer het wordt gecreëerd en waar het naartoe gaat.

Zo begon een jarenlange samenwerking met John Dore, ook van het ministerie van landbronnen en milieuwetenschappen; Brian Bothner en Roland Hatzenpichler van de afdeling Scheikunde en Biochemie; en Qian Wang, een assistent-onderzoeksprofessor bij de afdeling Microbiologie en Celbiologie. De studie is het onderwerp van een nieuw artikel dat deze week in het tijdschrift wordt gepubliceerd Proceedings van de National Academy of Science getiteld "Aërobe bacteriële methaansynthese."

Wang leidde het werk bij Yellowstone Lake gedurende vijf zomers van gegevensverzameling en -analyse.

"In het begin, we wisten niet wat er aan de hand was, ' zei ze. 'Maar toen we de DNA-extractie uit het meerwater deden, het blijkt dat we de anaërobe organismen die normaal gesproken verantwoordelijk zijn voor de aanwezigheid van methaan niet konden vinden. In plaats daarvan, we ontdekten dat er aerobe bacteriën bij betrokken waren, het isoleren van een bacterie genaamd Acidovorax, waardoor we dit proces konden gaan begrijpen."

De Bothner-labgroep gebruikte analytische apparatuur om de aanwezigheid van methylamine en glycine-betaïne in het water van het meer te identificeren. biochemicaliën het team veronderstelde de sleutel te zijn in het proces van methaanproductie. Om de theorie te testen, Wang vernauwde welk gen de Acidovorax-bacteriën nodig hadden om methylamine of glycine-betaïne om te zetten in methaan.

"We kunnen dit opsplitsen tot een fundamentele ontdekking over de omzetting van methylamine in methaan onder aerobe omstandigheden, "zei McDermott. "Wetenschappelijk gezien, dit had niet mogen gebeuren op basis van alle kennis die we hadden. Dus, we hebben een eliminatieproces doorlopen om vast te stellen hoe en waarom dit gebeurde en is een ander voorbeeld van fundamentele ontdekkingen die zijn gedaan door Yellowstone-onderzoek."

Door een reeks microbiële experimenten en uitgebreide analyse van de bredere biologische gemeenschap die aanwezig is in de meermonsters, Wang identificeerde een bekend gen dat codeert voor aspartaataminotransferase, of AAT, die de methaansynthese leek te katalyseren.

De volgende stap was om te kijken of het AAT-enzym zelf in staat was de omzetting van methylamine in methaan te katalyseren. Om dat te doen, Wang isoleerde het gen, overgebracht naar E. coli, dat vaak wordt gebruikt door microbiologen en biochemici vanwege het vermogen om vreemde genen tot expressie te brengen; McDermott vergeleek het met het inbrengen van een cassettebandje in een speler.

Een gewone E. coli-cel, legde Wang uit, kan methylamine niet omzetten in methaan. Maar wanneer voorzien van het AAT-gen, het zou kunnen.

"Het is tegenwoordig zeldzaam om iets tegen te komen dat niet kan worden verklaard door ons huidige begrip van biochemie, ", aldus Bothner. "Dat maakt dit een interessant en uitdagend project om aan te werken."

De omvang van de ontdekking kan niet worden overschat, zei Bother. Het feit dat aërobe methaansynthese überhaupt kan plaatsvinden, is een seismische verschuiving op het gebied van biogeochemie. Aangezien methaan een veel krachtiger broeikasgas is dan koolstofdioxide, wetenschappers zijn geïnteresseerd in het identificeren van waar in de biosfeer het wordt gecreëerd en waar het naartoe gaat. Dit project, hij zei, creëert een springplank voor uitgebreid verder onderzoek in Yellowstone National Park en daarbuiten.

"Dit is een fundamenteel ander proces dan anaërobe methaansynthese, " zei McDermott. "In ecologische zin, het is logisch om te denken dat dit in de hele biosfeer gebeurt, niet alleen in Yellowstone Lake. Het is denkbaar om te denken dat het zelfs over de oceanen van de wereld en over de hele wereld voorkomt."