Промышленная и сельскохозяйственная деятельность производит большое количество метана, парникового газа, который способствует глобальному потеплению. Многие бактерии также производят метан как побочный продукт своего метаболизма. Некоторое количество метана, высвобождаемого естественным путем, поступает из океана, и это явление долгое время озадачивало ученых, поскольку у поверхности океана нет известных организмов, производящих метан.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института и Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн сделала открытие, которое может помочь ответить на этот «парадокс метана в океане». Во-первых, они определили структуру фермента, который может производить соединение, которое, как известно, превращается в метан. Затем они использовали эту информацию, чтобы показать, что этот фермент существует в некоторых из наиболее распространенных морских микробов. Они считают, что это соединение, вероятно, является источником газообразного метана, выбрасываемого в атмосферу над океаном.
Произведенный в океане метан составляет около 4 процентов от общего количества, выбрасываемого в атмосферу, и лучшее понимание того, откуда берется этот метан, может помочь ученым лучше понять его роль в изменении климата, говорят исследователи.
«Понимание глобального углеродного цикла действительно важно, особенно когда речь идет об изменении климата», - говорит Кэтрин Дреннан, профессор химии и биологии Массачусетского технологического института и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.«Откуда на самом деле берется метан? Как он используется? Понимание природного потока - важная информация, которую необходимо иметь во всех этих дискуссиях».
Дреннан и Уилфред ван дер Донк, профессор химии Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн, являются старшими авторами статьи, опубликованной в онлайн-издании Science от 7 декабря. Ведущими авторами являются Дэвид Борн, аспирант Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, и Эмили Ульрих, аспирант Иллинойского университета в Урбана-Шампейн..
Разгадка тайны
Многие бактерии производят метан как побочный продукт своего метаболизма, но большинство из этих бактерий живут в среде с низким содержанием кислорода, например, в глубоком океане или пищеварительном тракте животных, а не вблизи поверхности океана.
Несколько лет назад ван дер Донк и его коллега из Университета Иллинойса Уильям Меткалф нашли возможный ключ к разгадке тайны метана в океане: они открыли микробный фермент, производящий соединение под названием метилфосфонат, которое может стать метаном, когда молекула фосфата от него откалывается. Этот фермент был обнаружен у микроба под названием Nitrosopumilus maritimus, обитающего у поверхности океана, но этот фермент не был легко идентифицирован у других океанских микробов, как можно было бы ожидать..
Команда Ван дер Донка знала генетическую последовательность фермента, известного как метилфосфонатсинтаза (MPnS), что позволило им искать другие его версии в геномах других микробов. Однако каждый раз, когда они находили потенциальное совпадение, фермент оказывался родственным ферментом, называемым гидроксиэтилфосфонатдиоксигеназой (HEPD), который генерирует продукт, очень похожий на метилфосфонат, но не расщепляемый с образованием метана..
Ван дер Донк спросила Дреннан, эксперта по определению химической структуры белков, может ли она попытаться раскрыть структуру MPnS в надежде, что это поможет им найти больше вариантов фермента в других бактериях.
Чтобы найти структуру, команда Массачусетского технологического института использовала рентгеновскую кристаллографию, которую они провели в специальной камере без кислорода. Они знали, что ферменту требуется кислород для катализа производства метилфосфоната, поэтому, удаляя кислород, они смогли получить снимки фермента, когда он связывался с необходимыми партнерами реакции, но до того, как он начал реакцию..
Исследователи сравнили данные кристаллографии MPnS с родственным ферментом HEPD и обнаружили одно небольшое, но важное различие. В активном центре обоих ферментов (часть белка, катализирующая химические реакции) находится аминокислота под названием глютамин. В MPnS эта молекула глутамина связывается с железом, необходимым кофактором для производства метилфосфоната. Глутамин фиксируется в железосвязывающей ориентации объемной аминокислотой изолейцином, которая находится непосредственно под глутамином в MPnS. Однако при HEPD изолейцин заменяется глицином, а глютамин может свободно перестраиваться, так что он больше не связан с железом.
«Мы искали различия, которые привели бы к созданию разных продуктов, и это была единственная разница, которую мы увидели», - говорит Борн. Кроме того, исследователи обнаружили, что замены глицина в HEPD на изолейцин было достаточно, чтобы преобразовать фермент в MPnS.
Обильный фермент
Путем поиска в базах данных генетических последовательностей тысяч микробов исследователи обнаружили сотни ферментов с той же структурной конфигурацией, что и исходный фермент MPnS. Кроме того, все они были обнаружены у микробов, обитающих в океане, и один был обнаружен у штамма чрезвычайно распространенного океанического микроба, известного как Pelagibacter ubique..
До сих пор неизвестно, какую функцию этот фермент и его продукт выполняют в океанских бактериях. Считается, что метилфосфонаты включены в жировые молекулы, называемые фосфонолипидами, которые аналогичны фосфолипидам, из которых состоят клеточные мембраны.
«Функция этих фосфонолипидов не установлена, хотя известно, что они существуют уже несколько десятилетий. Это действительно интересный вопрос», - говорит Борн. «Теперь мы знаем, что они производятся в больших количествах, особенно в океане, но на самом деле мы не знаем, что они делают и какую пользу они вообще приносят организму."
Другой ключевой вопрос заключается в том, как на производство метана этими организмами влияют условия окружающей среды в океане, включая температуру и загрязнение, такое как сток удобрений.
Мы знаем, что расщепление метилфосфоната происходит, когда микробам не хватает фосфора, но нам нужно выяснить, какие питательные вещества связаны с этим, и как это связано с рН океана, и как это связано с температуры океана», - говорит Дреннан. «Нам нужна вся эта информация, чтобы иметь возможность думать о том, что мы делаем, чтобы мы могли принимать разумные решения о защите океанов».