Гігатони парникових газів уловлюються під морським дном, і це добре. Навколо узбережжя континентів, де схили занурюються в море, крихітні клітини льоду вловлюють газ метан, не даючи йому вийти та викинутися в атмосферу. Ці крижані утворення, відомі як метанові клатрати, рідко потрапляють у новини, але привернули увагу через їхній потенціал впливу на зміну клімату. Під час морського буріння метановий лід може застрягти в трубах, спричинивши їх замерзання та розрив. Вважається, що розлив нафти Deepwater Horizon у 2010 році був спричинений накопиченням клатратів метану.
Але досі біологічний процес, який стоїть за тим, як газ метан залишається стабільним під водою, був майже повністю невідомий. У проривному дослідженні міждисциплінарна команда дослідників Georgia Tech виявила раніше невідомий клас бактеріальних білків, які відіграють вирішальну роль у формуванні та стабільності клатратів метану.
Команда під керівництвом Дженніфер Гласс, доцента Школи Землі та атмосферних наук, і Ракель Ліберман, професора та завідувача кафедри Сепчік-Пфейл Школи хімії та біохімії, показала, що ці нові бактеріальні білки так само ефективно пригнічують ріст клатратів метану. як комерційні хімікати, які зараз використовуються в бурінні, але вони нетоксичні, екологічно чисті та масштабовані. Їхнє дослідження інформує про пошуки життя в Сонячній системі, а також може підвищити безпеку транспортування природного газу.
Дослідження, опубліковане в журналі PNAS Nexus, підкреслює важливість фундаментальної науки у вивченні природних біологічних систем Землі та підкреслює переваги співпраці між дисциплінами.
«Ми хотіли зрозуміти, як ці утворення залишалися стабільними під морським дном, і які саме механізми сприяли їхній стабільності», — сказав Гласс. «Це те, чого ніхто раніше не робив».
Просіювання осаду
Зусилля почалося з того, що команда досліджувала зразок глинистого осаду, який Гласс отримав з морського дна біля узбережжя Орегону. Гласс припустив, що осад міститиме білки, які впливають на ріст метанового клатрату, і що ці білки будуть нагадувати добре відомі білки антифризу в рибі, які допомагають їм виживати в холодному середовищі.
Але щоб підтвердити свою гіпотезу, Гласс і її дослідницька група повинні були спочатку визначити білки-кандидати з мільйонів потенційних цілей, що містяться в осаді. Потім їм потрібно було б виготовити білки в лабораторії, хоча не було розуміння того, як ці білки можуть поводитися. Крім того, ніхто раніше не працював з цими білками.
Гласс звернувся до Лібермана, чия лабораторія вивчає структуру білків. Першим кроком було використання секвенування ДНК у поєднанні з біоінформатикою для ідентифікації генів білків, що містяться в осаді. Потім Дастін Хуард, дослідник лабораторії Лібермана та перший автор статті, підготував білки-кандидати, які потенційно можуть зв’язуватися з клатратами метану. Хьюард використовував рентгенівську кристалографію для визначення структури білків.
Створення умов морського дна в лабораторії
Гуард передав білкові кандидати Ебігейл Джонсон, колишньому доктору філософії. студент лабораторії Ґласса та один із перших авторів статті, який зараз є докторантом в Університеті Джорджії. Щоб перевірити білки, Джонсон сама утворила клатрати метану, відтворивши високий тиск і низьку температуру морського дна в лабораторії. Джонсон працював з Шенг Даєм, доцентом Школи цивільної та екологічної інженерії, щоб побудувати унікальну барокамеру з нуля.
Джонсон помістив білки в посудину під тиском і налаштував систему, щоб імітувати тиск і температурні умови, необхідні для утворення клатрату. Стиснувши в посудину метан, Джонсон видавив метан у краплю, що спричинило утворення метанової клатратної структури.
Потім вона виміряла кількість газу, який спожив клатрат — індикатор того, як швидко та скільки клатрату утворилося — і зробила це в присутності білків проти відсутності білків. Джонсон виявив, що з білками, що зв’язують клатрати, споживається менше газу, а клатрати плавляться при вищих температурах.
Після того, як команда перевірила, що білки впливають на утворення та стабільність метанових клатратів, вони використали кристалічну структуру білка Х’юарда для проведення моделювання молекулярної динаміки за допомогою Джеймса (JC) Гумбарта, професора Школи фізики. Моделювання дозволило команді визначити конкретне місце, де білок зв’язується з клатратом метану.
Напрочуд нова система
Дослідження показало несподіване уявлення про структуру та функції білків. Спочатку дослідники вважали, що частина білка, схожа на білки рибного антифризу, відіграватиме роль у зв’язуванні клатрату. Дивно, але ця частина білка не відігравала ролі, а взаємодіями керував зовсім інший механізм.
Вони виявили, що білки не зв’язуються з льодом, а скоріше взаємодіють із самою клатратною структурою, спрямовуючи її зростання. Зокрема, частина білка, яка мала характеристики, подібні до білків антифризу, була похована в структурі білка і замість цього відігравала роль у стабілізації білка.
Дослідники виявили, що протеїни ефективніше модифікують метановий клатрат, ніж будь-які протеїни антифризу, які були протестовані в минулому. Вони також працювали так само добре, якщо не краще, ніж токсичні комерційні інгібітори клатрату, які зараз використовуються в бурінні, що становить серйозну загрозу навколишньому середовищу.
Запобігання утворенню клатрату в трубопроводах природного газу є індустрією, яка коштує мільярд доларів. Якби ці білки, що біологічно розкладаються, можна було б використовувати для запобігання катастрофічним витокам природного газу, це б значно зменшило ризик шкоди навколишньому середовищу.
«Нам так пощастило, що це дійсно спрацювало, тому що, незважаючи на те, що ми вибрали ці білки на основі їх схожості з білками антифризу, вони абсолютно різні», — сказав Джонсон. «Вони виконують схожу функцію в природі, але виконують це через зовсім іншу біологічну систему, і я думаю, що це справді захоплює людей».
Метанові клатрати, ймовірно, існують по всій Сонячній системі — наприклад, на поверхні Марса та на крижаних супутниках зовнішньої Сонячної системи, таких як Європа. Висновки команди показують, що якщо мікроби існують на інших планетарних тілах, вони можуть виробляти подібні біомолекули для утримання рідкої води в каналах у клатраті, які можуть підтримувати життя.
«Ми все ще так багато дізнаємося про основні системи на нашій планеті», — сказав Гуард. «Це одна з чудових переваг Georgia Tech — різні спільноти можуть об’єднатися, щоб займатися справді класною, несподіваною наукою. Я ніколи не думав, що буду працювати над астробіологічним проектом, але ось ми тут, і ми досягли успіху». Джерело