Новое понимание того, как важные производящие метан микроорганизмы создают метан и углекислый газ, может в конечном итоге позволить исследователям управлять тем, сколько этих важных парниковых газов уходит в атмосферу. Новое исследование, проведенное учеными штата Пенсильвания, предлагает обновленный биохимический путь, который объясняет, как микроорганизм использует железо для более эффективного захвата энергии при производстве метана. Исследование опубликовано онлайн в журнале Science Advances.
«Микроорганизм Methanosarcina acetivorans является метаногеном, который играет важную роль в углеродном цикле, посредством которого мертвый растительный материал перерабатывается обратно в углекислый газ, который затем генерирует новый растительный материал путем фотосинтеза», - сказал Джеймс Ферри, Стэнли Персон. Профессор биохимии и молекулярной биологии Университета штата Пенсильвания, возглавлявший исследовательскую группу. «Метаногены производят около 1 миллиарда метрических тонн метана в год, что играет решающую роль в изменении климата. Понимание процесса, посредством которого этот микроорганизм производит метан, важно для прогнозирования будущих изменений климата и потенциального управления тем, сколько этого парникового газа выделяет организм.."
Methanosarcina acetivorans, который встречается в таких средах, как дно океана и рисовые поля, где он помогает разлагать мертвый растительный материал, превращает уксусную кислоту в метан и углекислый газ. Однако до этого исследования исследователи не были уверены, откуда у микроорганизма достаточно энергии, чтобы выжить в бескислородной - анаэробной - среде, в которой он живет. Исследователи определили, что окисленная форма железа, называемая «железо три», по сути, ржавчина, позволяет микроорганизму работать более эффективно, используя больше уксусной кислоты, создавая больше метана и создавая больше АТФ - химического вещества, которое обеспечивает энергию для биологических реакций, необходимых для жизни. рост.
«Большинство организмов, таких как люди, используют процесс, называемый дыханием, для создания АТФ, но для этого требуется кислород», - сказал Ферри. «Когда кислорода нет, многие организмы вместо этого используют менее эффективный процесс, называемый ферментацией, для создания АТФ, подобный процессам, используемым дрожжами при производстве вина и пива. Но присутствие железа позволяет M. acetivorans использовать дыхание даже в отсутствие кислорода."
Выводы позволили исследователям обновить биологический путь, с помощью которого M. acetivorans превращает уксусную кислоту в метан, который теперь включает дыхание. Пути, подобные этому, включают множество промежуточных стадий, во время которых энергия часто теряется в виде тепла. Исследователи также определили, что в присутствии железа потери энергии этим микроорганизмом уменьшаются благодаря недавно открытому процессу, называемому электронной бифуркацией.
«Разветвление электрона представляет собой один из тех шагов, который может привести к огромным потерям тепла, и собирает эту энергию в форме АТФ, а не тепла», - сказал Ферри. «Это делает процесс более эффективным».
Этот обновленный путь может позволить исследователям прогнозировать количество метана, которое микроорганизм будет выделять в атмосферу.
Рисовые поля - основной источник метана в атмосфере - содержат разлагающиеся рисовые растения, погруженные в воду, которые в конечном итоге перерабатываются M. acetivorans. Если мы измерим количество железа-3, присутствующего на полях, мы сможем предсказать, сколько метана будет выделяться микроорганизмами, что может улучшить наши модели изменения климата».
В отсутствие железа микроорганизм производит примерно равные количества метана и углекислого газа из уксусной кислоты. Но с увеличением количества железа оно производит больше углекислого газа по сравнению с метаном, поэтому обеспечение организма дополнительным железом может изменить относительное количество этих парниковых газов, которые производятся.
«Метан в 30 раз более мощный парниковый газ, чем углекислый газ, что делает его более проблематичным с точки зрения потепления нашей планеты», - сказал Ферри. «Теперь, когда мы лучше понимаем этот биохимический путь, мы видим, что можем использовать железо для изменения соотношения вырабатываемых газов. В будущем мы могли бы даже пойти дальше и подавить выработку метана этим микроорганизмом.
"Помимо практического применения, это важное дополнение к пониманию биологии почти невидимого, но чрезвычайно важного анаэробного мира."
Кроме Ферри, в исследовательскую группу входят Дивья Пракаш и Шикха Чаухан из Университета штата Пенсильвания. Исследование проводилось при поддержке Министерства энергетики США и Научного колледжа Эберли штата Пенсильвания.