Команда исследователей из Массачусетского технологического института и Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне сделала открытие, которое может помочь ответить на этот «парадокс океанического метана». 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 присутствует в некоторых из самых распространенных морских микробов.
Они считают, что это соединение, вероятно, является источником метана, выбрасываемого в атмосферу над океаном.Метан, производимый в океане, составляет около 4 процентов от общего количества метана, выбрасываемого в атмосферу, и, по словам исследователей, лучшее понимание того, откуда исходит этот метан, могло бы помочь ученым лучше понять его роль в изменении климата.«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 появляется метан?
Как он используется? Понимание природных потоков — важная информация, которую нужно иметь во всех этих обсуждениях».Дреннан и Уилфред ван дер Донк, профессор химии в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, являются старшими авторами статьи, которая опубликована в онлайн-выпуске журнала Science от 7 декабря.
Ведущие авторы — Дэвид Борн, аспирант Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, и Эмили Ульрих, аспирант Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.Разгадывая тайнуМногие бактерии производят метан в качестве побочного продукта своего метаболизма, но большинство этих бактерий живут в бедных кислородом средах, таких как глубокий океан или пищеварительный тракт животных, а не у поверхности океана.
Несколько лет назад ван дер Донк и его коллега из Университета Иллинойса Уильям Меткалф нашли возможный ключ к разгадке тайны океанического метана: они обнаружили микробный фермент, который производит соединение под названием метилфосфонат, который может стать метаном, если от него отщепить молекулу фосфата.
Этот фермент был обнаружен у микроба под названием Nitrosopumilus maritimus, который обитает у поверхности океана, но этот фермент не был легко идентифицирован у других океанических 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 может быть расщеплен 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 этого фермента у других бактерий.
Чтобы найти структуру, команда Массачусетского технологического института использовала рентгеновскую кристаллографию, которую они провели в специальной камере без кислорода. Они знали, что ферменту необходим кислород, чтобы катализировать производство метилфосфоната, поэтому, исключив кислород, они смогли получить снимки фермента, связанного с необходимыми партнерами по реакции, но до того, как он осуществил реакцию.
Исследователи сравнили данные кристаллографии MPnS с соответствующим ферментом HEPD и обнаружили одно небольшое, но важное отличие. В активном центре обоих ферментов (часть белка, катализирующая химические реакции) есть аминокислота, называемая глутамином. В MPnS эта молекула глутамина связывается с железом, необходимым кофактором для производства метилфосфоната. Глютамин фиксируется в ориентации связывания железа с помощью объемной аминокислоты изолейцина, которая находится непосредственно под глутамином в MPnS.
Однако в HEPD изолейцин заменяется глицином, а глутамин может перестраиваться, так что он больше не связывается с железом.«Мы искали различия, которые привели бы к разным продуктам, и это было единственное различие, которое мы увидели», — говорит Борн. Кроме того, исследователи обнаружили, что замены глицина в HEPD на изолейцин было достаточно для превращения фермента в MPnS.Обильный фермент
Путем поиска в базах данных генетических последовательностей тысяч микробов исследователи обнаружили сотни ферментов с той же структурной конфигурацией, что и в их исходном ферменте MPnS. Кроме того, все они были обнаружены в микробах, обитающих в океане, а один был обнаружен в штамме чрезвычайно распространенного океанического микроба, известного как Pelagibacter ubique.До сих пор неизвестно, какую функцию этот фермент и его продукт выполняют у океанских бактерий.
Считается, что метилфосфонаты входят в состав жировых молекул, называемых фосфонолипидами, которые похожи на фосфолипиды, из которых состоят клеточные мембраны.«Функция этих фосфонолипидов до конца не изучена, 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 как вообще приносят пользу организму».
Другой ключевой вопрос заключается в том, как на производство метана этими организмами влияют условия окружающей среды в океане, включая температуру и загрязнение, например, сток удобрений.«Мы знаем, что расщепление метилфосфоната происходит, когда микробы испытывают недостаток фосфора, но нам нужно выяснить, какие питательные вещества связаны с этим, и как это связано с pH океана, и как это связано с температурой 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».