Oamenii de știință au descoperit un factor ascuns în spatele creșterii nivelului de metan pe Pământ
Aproximativ două treimi din metanul atmosferic, un puternic gaz cu efect de seră, provine de la metanogene. Cu toate acestea, este dificil să se identifice metanogenele care produc metan cu o semnătură izotopică specifică în fiecare mediu. Cercetătorii de la UC Berkeley au utilizat pentru prima dată CRISPR pentru a identifica enzima cheie implicată în producția microbiană de metan, cu scopul de a înțelege amprentele izotopice unice ale diferitelor medii și de a înțelege mai bine bilanțul de metan al Pământului, arată Science Daily.
Oamenii de știință au descoperit un factor ascuns în spatele creșterii nivelului de metan pe Pământ
Aproximativ două treimi din toate emisiile de metan atmosferic – un gaz cu efect de seră foarte puternic care încălzește planeta Pământ – provin de la microorganisme care trăiesc în medii lipsite de oxigen, cum ar fi zonele umede, câmpurile de orez, depozitele de deșeuri și intestinele vacilor.
Cu toate acestea, urmărirea metanului atmosferic până la sursele sale specifice și cuantificarea importanței acestora rămâne o provocare. Oamenii de știință sunt destul de buni în urmărirea surselor principalului gaz cu efect de seră, dioxidul de carbon, pentru a se concentra pe atenuarea acestor emisii. Dar pentru a urmări originile metanului, oamenii de știință trebuie adesea să măsoare compoziția izotopică a atomilor care compun metanul, carbonul și hidrogenul, pentru a o utiliza ca amprentă a diverselor surse de mediu, arată Science Daily.
Un nou articol al cercetătorilor de la Universitatea din California, Berkeley, relevă modul în care activitatea uneia dintre principalele enzime microbiene implicate în producerea metanului afectează această compoziție izotopică. Descoperirea ar putea schimba modul în care oamenii de știință calculează contribuțiile diferitelor surse de mediu la bugetul total de metan al Pământului.
„Când integrăm toate sursele și rezervoarele de dioxid de carbon din atmosferă, obținem cam cifra pe care o așteptăm din măsurătorile directe din atmosferă. Dar în cazul metanului, există incertitudini mari în ceea ce privește fluxurile – de ordinul zecilor de procente pentru unele dintre fluxuri – care ne pun la încercare capacitatea de a cuantifica cu precizie importanța relativă și schimbările în timp ale surselor”, a declarat Jonathan Gropp, cercetător postdoctoral la UC Berkeley și primul autor al articolului. „Pentru a cuantifica sursele reale de metan, trebuie să înțelegi cu adevărat procesele izotopice utilizate pentru a limita aceste fluxuri.”
Gropp a colaborat cu un biolog molecular și un geochimist de la UC Berkeley pentru a utiliza, pentru prima dată, CRISPR pentru a manipula activitatea acestei enzime cheie, cu scopul de a descoperi modul în care aceste metanogene interacționează cu sursa lor de hrană pentru a produce metan.
„Se știe că nivelurile de metan sunt în creștere, dar există multe dezacorduri cu privire la cauza care stă la baza acestui fenomen”, a declarat coautorul Dipti Nayak, profesor asistent de biologie moleculară și celulară la UC Berkeley. „ Acest studiu este primul în care disciplinele biologiei moleculare și biogeochimiei izotopice au fost combinate pentru a oferi constrângeri mai bune asupra modului în care biologia metanogenelor controlează compoziția izotopică a metanului.”
Oamenii sunt compuși din aproximativ 99% carbon-12 și 1% carbon-13
Multe elemente au versiuni mai grele sau mai ușoare, numite izotopi, care se găsesc în proporții mici în natură. Oamenii sunt compuși din aproximativ 99% carbon-12 și 1% carbon-13, care este puțin mai greu deoarece are un neutron în plus în nucleu. Hidrogenul din apă este format din 99,985% hidrogen-1 și 0,015% deuteriu sau hidrogen-2, care este de două ori mai greu, deoarece are un neutron în nucleu.
Abundența naturală a izotopilor se reflectă în toate moleculele produse biologic, iar variațiile pot fi utilizate pentru a studia și identifica diverse metabolismuri biologice.
„În ultimii 70 de ani, oamenii au demonstrat că metanul produs de diferite organisme și alte procese poate avea amprente izotopice distincte”, a spus geochimistul și coautorul Daniel Stolper, profesor asociat de științe ale pământului și planetare la UC Berkeley.
„Gazul natural din zăcămintele de petrol arată adesea într-un fel. Metanul produs de metanogenele din intestinele vacilor arată altfel. Metanul produs în sedimentele din adâncurile mării de microorganisme are o amprentă diferită. Metanogenele pot consuma sau „mânca”, dacă vreți, o varietate de compuși, inclusiv metanol, acetat sau hidrogen; produc metan și generează energie din acest proces. Oamenii de știință au presupus în mod obișnuit că amprenta izotopică depinde de ceea ce mănâncă organismele, care variază adesea de la un mediu la altul, creând capacitatea noastră de a lega izotopii de originile metanului.”
„Cred că ceea ce este unic la acest articol este faptul că am aflat că compoziția izotopică a metanului microbian nu se bazează doar pe ceea ce mănâncă metanogenii”, a spus Nayak. „Desigur, ceea ce „mănânci” contează, dar cantitatea acestor substraturi și condițiile de mediu contează, de asemenea, și, poate mai important, modul în care microbii reacționează la aceste schimbări.”
„Microbii răspund la mediu prin manipularea expresiei genelor lor, iar apoi se schimbă și compozițiile izotopice”, a spus Gropp. „Acest lucru ar trebui să ne determine să gândim mai atent atunci când analizăm datele din mediu.”
Articolul apărut pe 14 august în revista Science.
Microbii care consumă oțet și alcool
Metanogenii – microorganisme care sunt archaea, aflate pe o ramură complet separată a arborelui vieții de bacterii – sunt esențiali pentru a scăpa lumea de materia moartă și în descompunere. Ei ingerează molecule simple – hidrogen molecular, acetat sau metanol, de exemplu – excretate de alte organisme și produc metan ca deșeu. Acest metan natural poate fi observat în licuricii palizi care se văd noaptea în jurul mlaștinilor și mlaștinilor, dar este eliberat și în mod invizibil în râgâielile vacilor, în bule din câmpurile de orez și din zonele umede naturale și se scurge din gropile de gunoi. În timp ce cea mai mare parte a metanului din gazul natural pe care îl ardem s-a format în asociere cu generarea de hidrocarburi, unele depozite au fost produse inițial de metanogeni care consumă materie organică îngropată.
Amprenta izotopică a metanului produs de metanogeni care cresc pe diferite surse de „hrană” a fost bine stabilită în studiile de laborator, dar oamenii de știință au descoperit că, în complexitatea lumii reale, metanogenii nu produc întotdeauna metan cu aceeași amprentă izotopică ca cea observată în laborator. De exemplu, atunci când sunt cultivate în laborator, speciile de metanogene care consumă acetat (în esență oțet), metanol (cel mai simplu alcool) sau hidrogen molecular (H2) produc metan, CH4, cu un raport între izotopii de hidrogen și carbon diferit de raporturile observate în mediu.
Model computerizat al rețelei metabolice
Gropp crease anterior un model computerizat al rețelei metabolice din metanogeni pentru a înțelege mai bine cum se determină compoziția izotopică a metanului. Când a obținut o bursă pentru a veni la UC Berkeley, Stolper și Nayak i-au propus să testeze experimental modelul său. Laboratorul lui Stolper este specializat în măsurarea compozițiilor izotopice pentru a explora istoria Pământului. Nayak studiază metanogenele și, în calitate de bursier postdoctoral, a găsit o modalitate de a utiliza editarea genelor CRISPR în metanogene. Grupul său a modificat recent expresia enzimei cheie din metanogene care produce metanul – metil-coenzima M reductaza (MCR) – astfel încât activitatea acesteia să poată fi redusă. Enzimele sunt proteine care catalizează reacțiile chimice.
Experimentând cu aceste microorganisme modificate prin CRISPR – într-un metanogen comun numit Methanosarcina acetivorans care crește pe acetat și metanol – cercetătorii au analizat modul în care compoziția izotopică a metanului s-a modificat atunci când activitatea enzimei a fost redusă, imitând ceea ce se crede că se întâmplă atunci când microorganismele sunt private de hrana lor preferată.
Celulele răspund prin modificarea activității multor alte enzime
Ei au descoperit că, atunci când MCR se află la concentrații scăzute, celulele răspund prin modificarea activității multor alte enzime din celulă, provocând acumularea intrărilor și ieșirilor acestora și încetinirea ratei de generare a metanului, astfel încât enzimele încep să funcționeze atât în sens invers, cât și în sens direct. În sens invers, aceste alte enzime elimină un atom de hidrogen din atomii de carbon; în sens direct, ele adaugă un atom de hidrogen. Împreună cu MCR, ele produc în final metan (CH4). Fiecare ciclu înainte și înapoi necesită una dintre aceste enzime pentru a extrage un atom de hidrogen din carbon și a adăuga unul nou, provenit în final din apă. Ca rezultat, compoziția izotopică a celor patru molecule de hidrogen ale metanului ajunge să reflecte treptat cea a apei, și nu doar sursa lor de hrană, care începe cu trei atomi de hidrogen.
Acest lucru diferă de ipotezele tipice privind creșterea pe acetat și metanol, care presupun că nu există schimb între hidrogenul provenit din apă și cel provenit din sursa de hrană.
„Acest schimb de izotopi pe care l-am descoperit modifică amprenta metanului generat de metanogenele care consumă acetat și metanol față de cea presupusă în mod obișnuit. Având în vedere acest lucru, este posibil să fi subestimat contribuția microbilor care consumă acetat, iar aceștia ar putea fi chiar mai dominanți decât am crezut”, a spus Gropp. „Propunem ca, cel puțin, să luăm în considerare răspunsul celular al metanogenilor la mediul lor atunci când studiem compoziția izotopică a metanului.”
Cale în care biologia moleculară modernă
Dincolo de acest studiu, tehnica CRISPR pentru reglarea producției de enzime în metanogeni ar putea fi utilizată pentru a manipula și studia efectele izotopilor în alte rețele enzimatice în general, ceea ce ar putea ajuta cercetătorii să răspundă la întrebări despre geobiologie și mediul Pământului în prezent și în trecut.
„Acest lucru deschide o cale în care biologia moleculară modernă se îmbină cu geochimia izotopică pentru a răspunde problemelor de mediu”, a spus Stolper. „Există un număr enorm de sisteme izotopice asociate cu biologia și biochimia care sunt studiate în mediu; sper că putem începe să le analizăm în modul în care biologii moleculari analizează acum aceste probleme la oameni și alte organisme – prin controlul expresiei genelor și observarea modului în care izotopii stabili răspund.”
Pentru Nayak, experimentele reprezintă, de asemenea, un pas important în descoperirea modului în care se pot modifica metanogenele pentru a deraia producția de metan și a redirecționa energia acestora către producerea de produse utile, în loc de un gaz distructiv pentru mediu.
„Prin reducerea cantității acestei enzime care produce metan și prin introducerea unor căi alternative pe care celula le poate utiliza, putem, în esență, să le oferim o altă supapă de eliberare, dacă vreți, pentru a transforma electronii, pe care altfel i-ar fi folosit pentru a produce metan, în ceva mai util”, a spus ea.
