Neue Bakterienproteine ​​beleuchten Klima und Astrobiologie

Gigatonnen Treibhausgase sind unter dem Meeresboden eingeschlossen, und das ist gut so. An den Küsten der Kontinente, wo Hänge ins Meer versinken, fangen winzige Eiskäfige Methangas ein und verhindern so, dass es entweicht und in die Atmosphäre aufsteigt.

Diese als Methanclathrate bekannten Eiskäfigformationen sind zwar selten in den Nachrichten, haben aber aufgrund ihres Potenzials, den Klimawandel zu beeinflussen, Aufmerksamkeit erregt. Bei Offshore-Bohrungen kann sich Methaneis in Rohren festsetzen, wodurch diese gefrieren und platzen. Es wird angenommen, dass die Ölkatastrophe der Deepwater Horizon im Jahr 2010 durch die Ansammlung von Methanclathraten verursacht wurde.

Doch bisher war der biologische Prozess, der dafür sorgt, dass Methangas unter dem Meer stabil bleibt, nahezu völlig unbekannt. In einer bahnbrechenden Studie entdeckte ein interdisziplinäres Team von Forschern der Georgia Tech eine bisher unbekannte Klasse bakterieller Proteine, die eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Stabilität von Methanclathraten spielen.

Ein Team unter der Leitung von Jennifer Glass, außerordentliche Professorin an der School of Earth and Atmospheric Sciences, und Raquel Lieberman, Professorin und Sepcic-Pfeil-Lehrstuhlinhaberin an der School of Chemistry and Biochemistry, zeigte, dass diese neuartigen Bakterienproteine ​​das Wachstum von Methanclathraten ebenfalls wirksam unterdrücken wie kommerzielle Chemikalien, die derzeit beim Bohren verwendet werden, sind jedoch ungiftig, umweltfreundlich und skalierbar. Ihre Studie liefert Informationen zur Suche nach Leben im Sonnensystem und könnte auch die Sicherheit des Erdgastransports erhöhen.

Die Forschung, in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexusunterstreicht die Bedeutung der Grundlagenforschung für die Erforschung der natürlichen biologischen Systeme der Erde und hebt die Vorteile der Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen hervor.

„Wir wollten verstehen, wie diese Formationen unter dem Meeresboden stabil bleiben und welche Mechanismen genau zu ihrer Stabilität beitragen“, sagte Glass. „Das ist etwas, was noch niemand zuvor getan hat.“

Sediment durchsieben

Die Bemühungen begannen damit, dass das Team eine Probe tonähnlichen Sediments untersuchte, die Glass vom Meeresboden vor der Küste Oregons gesammelt hatte.

Glass stellte die Hypothese auf, dass das Sediment Proteine ​​enthalten würde, die das Wachstum von Methanclathrat beeinflussen, und dass diese Proteine ​​bekannten Frostschutzproteinen in Fischen ähneln würden, die ihnen beim Überleben in kalten Umgebungen helfen.

Doch um ihre Hypothese zu bestätigen, müssten Glass und ihr Forschungsteam zunächst Proteinkandidaten aus Millionen potenzieller Ziele identifizieren, die im Sediment enthalten sind. Anschließend müssten sie die Proteine ​​im Labor herstellen, obwohl noch nicht bekannt sei, wie sich diese Proteine ​​verhalten könnten. Außerdem hatte noch niemand mit diesen Proteinen gearbeitet.

Glass wandte sich an Lieberman, dessen Labor die Struktur von Proteinen untersucht. Der erste Schritt bestand darin, mithilfe von DNA-Sequenzierung gepaart mit Bioinformatik die Gene der im Sediment enthaltenen Proteine ​​zu identifizieren. Dustin Huard, ein Forscher in Liebermans Labor und Erstautor der Arbeit, bereitete dann Kandidatenproteine ​​vor, die möglicherweise an die Methanclathrate binden könnten. Huard nutzte die Röntgenkristallographie, um die Struktur der Proteine ​​zu bestimmen.

Meeresbodenbedingungen im Labor schaffen

Huard übergab die Proteinkandidaten an Abigail Johnson, eine ehemalige Doktorandin. Student in Glass‘ Labor und Co-Erstautor der Arbeit, der jetzt Postdoktorand an der University of Georgia ist. Um die Proteine ​​zu testen, bildete Johnson selbst Methanclathrate, indem sie im Labor den hohen Druck und die niedrige Temperatur des Meeresbodens nachahmte. Johnson arbeitete mit Sheng Dai, einem außerordentlichen Professor an der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, zusammen, um eine einzigartige Druckkammer von Grund auf zu bauen.

Johnson platzierte die Proteine ​​im Druckbehälter und stellte das System so ein, dass es die für die Clathratbildung erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen nachahmte. Indem er das Gefäß mit Methan unter Druck setzte, drückte Johnson Methan in den Tropfen, wodurch sich eine Methan-Clathrat-Struktur bildete.

Anschließend maß sie die Gasmenge, die vom Clathrat verbraucht wurde – ein Indikator dafür, wie schnell und wie viel Clathrat sich bildete – und tat dies in Gegenwart von Proteinen im Vergleich zu denen ohne Proteine. Johnson fand heraus, dass bei den Clathrat-bindenden Proteinen weniger Gas verbraucht wurde und die Clathrate bei höheren Temperaturen schmolzen.

Nachdem das Team bestätigt hatte, dass die Proteine ​​die Bildung und Stabilität von Methanclathraten beeinflussen, nutzten sie Huards Proteinkristallstruktur, um mit Hilfe von James (JC) Gumbart, Professor an der School of Physics, Molekulardynamiksimulationen durchzuführen. Mithilfe der Simulationen konnte das Team die spezifische Stelle identifizieren, an der das Protein an das Methanclathrat bindet.

Ein überraschend neuartiges System

Die Studie lieferte unerwartete Einblicke in die Struktur und Funktion der Proteine. Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass der Teil des Proteins, der Fisch-Frostschutzproteinen ähnelt, eine Rolle bei der Clathratbindung spielen würde. Überraschenderweise spielte dieser Teil des Proteins keine Rolle, sondern ein völlig anderer Mechanismus steuerte die Wechselwirkungen.

Sie fanden heraus, dass die Proteine ​​nicht an Eis binden, sondern mit der Clathratstruktur selbst interagieren und deren Wachstum steuern. Konkret war der Teil des Proteins, der ähnliche Eigenschaften wie Frostschutzproteine ​​hatte, in der Proteinstruktur verborgen und spielte stattdessen eine Rolle bei der Stabilisierung des Proteins.

Die Forscher fanden heraus, dass die Proteine ​​bei der Modifizierung von Methanclathrat eine bessere Leistung erbrachten als alle zuvor getesteten Frostschutzproteine. Sie erbrachten außerdem eine ebenso gute, wenn nicht sogar bessere Leistung als die giftigen kommerziellen Clathrat-Inhibitoren, die derzeit bei Bohrarbeiten eingesetzt werden und eine ernsthafte Bedrohung für die Umwelt darstellen.

Die Verhinderung der Clathratbildung in Erdgaspipelines ist eine Milliardenindustrie. Wenn diese biologisch abbaubaren Proteine ​​zur Verhinderung katastrophaler Erdgaslecks eingesetzt werden könnten, würde dies das Risiko von Umweltschäden erheblich verringern.

„Wir hatten großes Glück, dass dies tatsächlich funktionierte, denn obwohl wir diese Proteine ​​aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Frostschutzproteinen ausgewählt haben, sind sie völlig unterschiedlich“, sagte Johnson. „Sie haben in der Natur eine ähnliche Funktion, tun dies jedoch über ein völlig anderes biologisches System, und ich denke, das begeistert die Menschen wirklich.“

Methanclathrate kommen wahrscheinlich im gesamten Sonnensystem vor – beispielsweise auf dem Untergrund des Mars und auf eisigen Monden im äußeren Sonnensystem wie Europa. Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass Mikroben, wenn sie auf anderen Planetenkörpern existieren, möglicherweise ähnliche Biomoleküle produzieren, um flüssiges Wasser in Kanälen im Clathrat zurückzuhalten, das Leben ermöglichen könnte.

„Wir lernen immer noch so viel über die grundlegenden Systeme auf unserem Planeten“, sagte Huard. „Das ist eines der großartigen Dinge an der Georgia Tech – verschiedene Gemeinschaften können zusammenkommen, um wirklich coole, unerwartete Wissenschaft zu betreiben. Ich hätte nie gedacht, dass ich an einem Astrobiologieprojekt arbeiten würde, aber hier sind wir und wir waren sehr erfolgreich.“