Miljarden tonnen broeikasgassen zitten vast onder de zee, en dat is maar goed ook. Langs de kust van het continent, die afhelt in de oceaan, houden kleine kooien van ijs het methaangas op zijn plaats, waardoor het niet kan opstijgen en in de atmosfeer terechtkomt. Hoewel ze niet vaak in de media worden benadrukt, zijn deze formaties, bekend als methaanclathraten, onder de loep genomen vanwege hun mogelijke impact op de klimaatverandering. Bij boorwerkzaamheden op zee kan methaanijs leidingen verstoppen, waardoor deze kunnen bevriezen en scheuren. Er wordt vermoed dat de olieramp met de Deepwater Horizon in 2010 is veroorzaakt door de ophoping van methaanclathraten.

Methaanclathraten (wit ijsachtig materiaal) onder rotsen op de zeebodem in de noordelijke Golf van Mexico. Dergelijke afzettingen geven aan dat methaan en andere gassen over de zeebodem de oceaan in reizen. Bron afbeelding: NOAA

Maar tot nu toe waren de biologische processen die bepalen hoe methaangas stabiel blijft op de zeebodem vrijwel volledig onbekend. In een baanbrekend onderzoek heeft een interdisciplinair team van Georgia Tech-onderzoekers een voorheen onbekende klasse bacteriële eiwitten ontdekt die een cruciale rol spelen bij de vorming en stabiliteit van methaaninsluitingscomplexen.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Jennifer Glass, universitair hoofddocent aan de School of Earth and Atmospheric Sciences, en Raquel Lieberman, professor aan de School of Chemistry and Biochemistry en Septic-Pfeil Chair, toonde aan dat deze nieuwe bacteriële eiwitten net zo effectief zijn in het remmen van de groei van methaanclathraten als commerciële chemicaliën die momenteel worden gebruikt bij het boren van putten, maar dat ze niet giftig, milieuvriendelijk en schaalbaar zijn. Hun onderzoek, gefinancierd door NASA, informeert de zoektocht naar leven in het zonnestelsel en zou ook de veiligheid van aardgastransport kunnen verbeteren.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift PNAS Nexus, benadrukt het belang van fundamentele wetenschap bij het bestuderen van de natuurlijke biologische systemen van de aarde en benadrukt de voordelen van interdisciplinaire samenwerking.

"We wilden begrijpen hoe deze formaties stabiel blijven op de zeebodem en wat precies de mechanismen zijn die bijdragen aan hun stabiliteit", zei Glass. "Dit is iets wat niemand eerder heeft gedaan."

Zeef sediment

Het werk begon toen het team monsters van kleiachtig sediment onderzocht die Glass verzamelde van de zeebodem voor de kust van Oregon.

Glass veronderstelt dat het sediment eiwitten bevat die de groei van methaanclathraten beïnvloeden, vergelijkbaar met bekende antivrieseiwitten in vissen die hen helpen te overleven in koude omgevingen.

Morfologische effecten van remmers op methaankooischalen. Links: een cartoon die de vorming van methaaninsluitingscomplexen laat zien bij het begin van de inclusiegroei en na 3 uur met en zonder remmers. Rechts: Representatieve foto's van experimentele methaanclathraten in elke groeifase, gelabeld per behandeling. Bron afbeelding: Georgia Tech

Maar om haar hypothese te bevestigen moesten Glass en haar onderzoeksteam eerst kandidaat-eiwitten identificeren tussen de miljoenen potentiële doelwitten in het sediment. Vervolgens moesten ze de eiwitten in het laboratorium maken, ondanks dat ze niet begrepen hoe die eiwitten zich gedroegen. Bovendien had niemand deze eiwitten eerder bestudeerd.

Glass benaderde Lieberman, wiens laboratorium de structuur van eiwitten bestudeerde. De eerste stap is het gebruik van DNA-sequencing in combinatie met bio-informatica om de genen voor eiwitten in het sediment te identificeren. Dustin Huard, een onderzoeker in het laboratorium van Lieberman en eerste auteur van het artikel, bereidde vervolgens kandidaat-eiwitten voor die zich zouden kunnen binden aan het methaaninsluitingscomplex. Huard gebruikt röntgenkristallografie om de structuur van eiwitten te bepalen.

Het creëren van zeebodemomstandigheden in het laboratorium

Huard gaf het kandidaat-eiwit aan voormalig promovendus Abigail Johnson. student in het laboratorium van Glass en co-eerste auteur van het artikel, nu postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Georgia. Om deze eiwitten te testen, heeft Johnson in het laboratorium de hoge druk en lage temperaturen van de oceaanbodem nagebootst, waarbij hij zelf methaanclathraten vormde. Johnson werkte samen met Dai Sheng, universitair hoofddocent aan de School of Civil and Environmental Engineering, om een ​​unieke drukkamer helemaal opnieuw te bouwen.

Johnson plaatste het eiwit in een drukvat en paste het systeem aan om de druk- en temperatuuromstandigheden te simuleren die nodig zijn voor de vorming van inclusiecomplexen. Door het vat met methaan onder druk te zetten, dwong Johnson het methaan in de druppeltjes, waardoor een methaanclathraatstructuur ontstond.

Vervolgens mat ze de hoeveelheid gas die door de clathraten werd verbruikt – een maatstaf voor hoe snel en hoeveel clathraten zich vormden – in de aan- en afwezigheid van eiwitten. Johnson ontdekte dat bij gebruik van clathraatbindende eiwitten minder gas werd verbruikt en dat de clathraatverbindingen bij hogere temperaturen smolten.

Toen het onderzoeksteam bevestigde dat deze eiwitten de vorming en stabiliteit van methaaninsluitingscomplexen beïnvloedden, voerden ze moleculaire dynamica-simulaties uit met behulp van de eiwitkristalstructuur van Huard met de hulp van James (JC) Gumbart, een professor aan de School of Physics. Dankzij de simulaties kon het team de specifieke plaatsen identificeren waar het eiwit zich bindt aan het methaaninsluitingscomplex.

Een verrassend nieuw systeem

Het onderzoek onthulde onverwachte inzichten in de structuur en functie van eiwitten. De onderzoekers dachten aanvankelijk dat een deel van het eiwit dat lijkt op antivrieseiwitten van vissen een rol zou spelen bij de binding van het inclusiecomplex. Verrassend genoeg speelt dit deel van het eiwit geen rol en stuurt een heel ander mechanisme de interactie aan.

Ze ontdekten dat deze eiwitten zich niet aan het ijs binden, maar een interactie aangaan met de insluitingsstructuur zelf, waardoor de groei ervan wordt gestuurd. Specifiek worden delen van het eiwit die vergelijkbare eigenschappen hebben als antivrieseiwitten begraven in de eiwitstructuur en dienen ze in plaats daarvan om het eiwit te stabiliseren.

De onderzoekers ontdekten dat deze eiwitten beter presteerden bij het modificeren van methaanclathraten dan welk antivrieseiwit dan ook dat in het verleden werd getest. Ze presteren net zo goed, zo niet beter, dan de giftige commerciële insluitingscomplexremmers die momenteel bij boringen worden gebruikt en die een ernstige bedreiging vormen voor het milieu.

Het voorkomen van clathraatvorming in aardgaspijpleidingen is een miljardenindustrie. Als deze biologisch afbreekbare eiwitten zouden kunnen worden gebruikt om catastrofale aardgaslekken te voorkomen, zou het risico op milieuschade aanzienlijk worden verminderd.

"We hadden het geluk dat dit echt werkte, want hoewel we deze eiwitten hebben geselecteerd op basis van hun gelijkenis met antivrieseiwitten, zijn ze totaal verschillend", aldus Johnson. "Ze hebben vergelijkbare functies in de natuur, maar doen dit via totaal verschillende biologische systemen, wat ik heel spannend vind."

Methaanclathraten kunnen overal in het zonnestelsel voorkomen, bijvoorbeeld in de ondergrond van Mars en op ijzige manen in de buitenste delen van het zonnestelsel, zoals Europa. De bevindingen van het team suggereren dat als microben op andere planetaire lichamen zouden bestaan, ze vergelijkbare biomoleculen zouden kunnen produceren om vloeibaar water in de kanalen van clathraten vast te houden, waardoor het leven wordt ondersteund.

"We weten nog steeds veel over de fundamentele systemen op aarde", zei Huard. "Dat is een van de geweldige dingen van Georgia Tech: verschillende gemeenschappen kunnen samenkomen om echt coole, onverwachte wetenschap te doen. Ik had nooit gedacht dat ik aan een astrobiologieprogramma zou werken, maar hier zijn we dan, en we zijn zeer succesvol."