De nouvelles protéines bactériennes mettent en lumière le climat et l’astrobiologie

Des gigatonnes de gaz à effet de serre sont piégées sous les fonds marins, et c’est une bonne chose. Sur les côtes des continents, là où les pentes s’enfoncent dans la mer, de minuscules cages de glace emprisonnent le méthane, l’empêchant de s’échapper et de remonter dans l’atmosphère.

Bien que rarement médiatiques, ces formations de cages de glace, connues sous le nom de clathrates de méthane, ont retenu l’attention en raison de leur potentiel à affecter le changement climatique. Lors du forage offshore, la glace de méthane peut rester coincée dans les tuyaux, les faisant geler et éclater. On pense que la marée noire de Deepwater Horizon en 2010 a été causée par une accumulation de clathrates de méthane.

Mais jusqu’à présent, le processus biologique à l’origine de la stabilité du méthane sous la mer était presque totalement inconnu. Dans une étude révolutionnaire, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de Georgia Tech a découvert une classe jusque-là inconnue de protéines bactériennes qui jouent un rôle crucial dans la formation et la stabilité des clathrates de méthane.

Une équipe dirigée par Jennifer Glass, professeure agrégée à l’École des sciences de la terre et de l’atmosphère, et Raquel Lieberman, professeur et titulaire de la chaire Sepcic-Pfeil à l’École de chimie et de biochimie, a montré que ces nouvelles protéines bactériennes suppriment également efficacement la croissance des clathrates de méthane. comme produits chimiques commerciaux actuellement utilisés dans le forage, mais ils sont non toxiques, écologiques et évolutifs. Leur étude éclaire la recherche de la vie dans le système solaire et pourrait également accroître la sécurité du transport du gaz naturel.

La recherche, publié dans la revue Nexus PNASsouligne l’importance de la science fondamentale dans l’étude des systèmes biologiques naturels de la Terre et met en évidence les avantages de la collaboration entre disciplines.

« Nous voulions comprendre comment ces formations restaient stables sous le fond marin et quels mécanismes précis contribuaient à leur stabilité », a déclaré Glass. « C’est quelque chose que personne n’a fait auparavant. »

Passer au crible les sédiments

L’effort a commencé avec l’examen par l’équipe d’un échantillon de sédiments argileux que Glass a acquis sur le fond marin au large des côtes de l’Oregon.

Glass a émis l’hypothèse que les sédiments contiendraient des protéines qui influencent la croissance du clathrate de méthane et que ces protéines ressembleraient aux protéines antigel bien connues des poissons, qui les aident à survivre dans des environnements froids.

Mais pour confirmer son hypothèse, Glass et son équipe de recherche devraient d’abord identifier des protéines candidates parmi les millions de cibles potentielles contenues dans les sédiments. Ils devraient ensuite fabriquer les protéines en laboratoire, même si l’on ne comprenait pas comment ces protéines pourraient se comporter. De plus, personne n’avait travaillé avec ces protéines auparavant.

Glass a contacté Lieberman, dont le laboratoire étudie la structure des protéines. La première étape a consisté à utiliser le séquençage de l’ADN associé à la bioinformatique pour identifier les gènes des protéines contenues dans le sédiment. Dustin Huard, chercheur au laboratoire de Lieberman et premier auteur de l’article, a ensuite préparé des protéines candidates susceptibles de se lier aux clathrates de méthane. Huard a utilisé la cristallographie aux rayons X pour déterminer la structure des protéines.

Créer des conditions de fond marin en laboratoire

Huard a confié les candidats protéines à Abigail Johnson, une ancienne doctorante. étudiant dans le laboratoire de Glass et co-premier auteur de l’article, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Géorgie. Pour tester les protéines, Johnson a elle-même formé des clathrates de méthane en recréant la haute pression et la basse température du fond marin en laboratoire. Johnson a travaillé avec Sheng Dai, professeur agrégé à l’École de génie civil et environnemental, pour construire une chambre de pression unique à partir de zéro.

Johnson a placé les protéines dans le récipient sous pression et a ajusté le système pour imiter les conditions de pression et de température requises pour la formation du clathrate. En mettant le récipient sous pression avec du méthane, Johnson a forcé le méthane à pénétrer dans la gouttelette, ce qui a provoqué la formation d’une structure de clathrate de méthane.

Elle a ensuite mesuré la quantité de gaz consommée par le clathrate – un indicateur de la rapidité et de la quantité de clathrate formé – et l’a fait en présence des protéines plutôt qu’en l’absence de protéines. Johnson a découvert qu’avec les protéines liant les clathrates, moins de gaz était consommé et les clathrates fondaient à des températures plus élevées.

Une fois que l’équipe a validé que les protéines affectent la formation et la stabilité des clathrates de méthane, elle a utilisé la structure cristalline des protéines de Huard pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire avec l’aide de James (JC) Gumbat, professeur à l’École de physique. Les simulations ont permis à l’équipe d’identifier le site spécifique où la protéine se lie au clathrate de méthane.

Un système étonnamment nouveau

L’étude a dévoilé des informations inattendues sur la structure et la fonction des protéines. Les chercheurs pensaient initialement que la partie de la protéine similaire aux protéines antigel du poisson jouerait un rôle dans la liaison du clathrate. Étonnamment, cette partie de la protéine n’a joué aucun rôle et un mécanisme totalement différent a dirigé les interactions.

Ils ont découvert que les protéines ne se lient pas à la glace, mais interagissent plutôt avec la structure du clathrate elle-même, dirigeant ainsi sa croissance. Plus précisément, la partie de la protéine qui avait des caractéristiques similaires à celles des protéines antigel était enfouie dans la structure protéique et jouait plutôt un rôle dans la stabilisation de la protéine.

Les chercheurs ont découvert que les protéines étaient plus efficaces pour modifier le clathrate de méthane que n’importe quelle protéine antigel testée dans le passé. Ils ont également fonctionné aussi bien, sinon mieux, que les inhibiteurs de clathrates commerciaux toxiques actuellement utilisés dans le forage et qui posent de graves menaces pour l’environnement.

La prévention de la formation de clathrates dans les gazoducs est une industrie qui pèse des milliards de dollars. Si ces protéines biodégradables pouvaient être utilisées pour prévenir des fuites désastreuses de gaz naturel, cela réduirait considérablement le risque de dommages environnementaux.

« Nous avons eu beaucoup de chance que cela ait fonctionné, car même si nous avons choisi ces protéines en fonction de leur similitude avec les protéines antigel, elles sont complètement différentes », a déclaré Johnson. « Ils ont une fonction similaire dans la nature, mais ils le font à travers un système biologique complètement différent, et je pense que cela excite vraiment les gens. »

Les clathrates de méthane existent probablement dans tout le système solaire, par exemple sous la surface de Mars, et sur les lunes glacées du système solaire externe, comme Europe. Les découvertes de l’équipe indiquent que si des microbes existent sur d’autres corps planétaires, ils pourraient produire des biomolécules similaires pour retenir l’eau liquide dans les canaux du clathrate, ce qui pourrait soutenir la vie.

« Nous en apprenons encore beaucoup sur les systèmes de base de notre planète », a déclaré Huard. « C’est l’une des grandes choses de Georgia Tech : différentes communautés peuvent se réunir pour faire des recherches scientifiques vraiment intéressantes et inattendues. Je n’aurais jamais pensé travailler sur un projet d’astrobiologie, mais nous y sommes et nous avons eu beaucoup de succès. »