Миллиарды тонн парниковых газов задерживаются под водой, и это хорошо. Вдоль побережья континента, спускающегося к океану, крошечные клетки изо льда удерживают метан на месте, не позволяя ему подниматься и выбрасываться в атмосферу. Хотя эти образования, известные как клатраты метана, не часто освещаются в средствах массовой информации, они стали объектом пристального внимания из-за их возможного воздействия на изменение климата. При бурении на море метановый лед может засорять трубы, вызывая их замерзание и разрыв. Предполагается, что нефтяная катастрофа Deepwater Horizon 2010 года была вызвана скоплением клатратов метана.

Клатраты метана (белый ледообразный материал) под камнями морского дна в северной части Мексиканского залива. Такие отложения указывают на то, что метан и другие газы перемещаются по морскому дну в океан. Источник изображения: НОАА

Но до сих пор биологические процессы сохранения стабильности метана на морском дне были почти полностью неизвестны. В ходе новаторского исследования междисциплинарная группа исследователей Технологического института Джорджии обнаружила ранее неизвестный класс бактериальных белков, которые играют решающую роль в формировании и стабильности комплексов включения метана.

Исследовательская группа под руководством Дженнифер Гласс, доцента Школы наук о Земле и атмосфере, и Ракель Либерман, профессора Школы химии и биохимии и кафедры Сепсик-Пфейл, показала, что эти новые бактериальные белки столь же эффективны в подавлении роста клатратов метана, как и коммерческие химикаты, используемые в настоящее время при бурении скважин, но они нетоксичны, экологически безопасны и масштабируемы. Их исследования, финансируемые НАСА, служат основой для поиска жизни в Солнечной системе, а также могут повысить безопасность транспортировки природного газа.

Исследование, опубликованное в журнале PNAS Nexus, подчеркивает важность фундаментальной науки в изучении естественных биологических систем Земли и подчеркивает преимущества междисциплинарного сотрудничества.

«Мы хотели понять, как эти образования остаются стабильными на морском дне и каковы именно механизмы, способствующие их устойчивости», — сказал Гласс. «Это то, чего еще никто не делал».

Отсев осадка

Работа началась с того, что команда исследовала образцы глинистых отложений, которые Гласс собрал со дна моря у побережья Орегона.

Гласс предполагает, что осадок содержит белки, которые влияют на рост клатратов метана, подобно хорошо известным белкам-антифризам у рыб, которые помогают им выжить в холодной среде.

Морфологическое воздействие ингибиторов на оболочки метановых клеток. Слева: рисунок, показывающий образование комплексов включения метана в начале роста включений и через 3 часа с ингибиторами и без них. Справа: репрезентативные фотографии экспериментальных клатратов метана на каждой стадии роста, помеченные обработкой. Источник изображения: Технологический институт Джорджии

Но чтобы подтвердить свою гипотезу, Гласс и ее исследовательская группа сначала должны были идентифицировать белки-кандидаты среди миллионов потенциальных мишеней, содержащихся в осадке. Затем им пришлось создавать белки в лаборатории, несмотря на то, что они не понимали, как эти белки ведут себя. Более того, раньше эти белки никто не изучал.

Гласс обратился к Либерману, чья лаборатория изучала структуру белков. Первым шагом является использование секвенирования ДНК в сочетании с биоинформатикой для идентификации генов белков, содержащихся в осадке. Дастин Хуард, исследователь из лаборатории Либермана и первый автор статьи, затем подготовил белки-кандидаты, которые могли бы связываться с комплексом включения метана. Хуард использует рентгеновскую кристаллографию для определения структуры белков.

Создание условий морского дна в лаборатории

Хуард дал протеин-кандидат бывшей аспирантке Эбигейл Джонсон. студент лаборатории Гласса и соавтор статьи, сейчас работает научным сотрудником в Университете Джорджии. Чтобы протестировать эти белки, Джонсон воссоздал в лаборатории высокое давление и низкую температуру океанского дна, самостоятельно образуя клатраты метана. Джонсон работал с Даем Шэном, доцентом Школы гражданского и экологического строительства, над созданием уникальной барокамеры с нуля.

Джонсон поместил белок в сосуд под давлением и настроил систему так, чтобы имитировать условия давления и температуры, необходимые для образования комплекса включения. Создавая давление в сосуде с метаном, Джонсон нагнетал метан в капли, образуя структуру клатрата метана.

Затем она измерила количество газа, потребляемого клатратами (показатель того, насколько быстро и сколько клатратов образовалось) в присутствии и в отсутствие белка. Джонсон обнаружил, что при использовании клатратсвязывающих белков расходуется меньше газа, а клатратные соединения плавятся при более высоких температурах.

Когда исследовательская группа подтвердила, что эти белки влияют на образование и стабильность комплексов включения метана, они провели моделирование молекулярной динамики с использованием кристаллической структуры белка Хуарда с помощью Джеймса (Дж. К.) Гамбарта, профессора Школы физики. Моделирование позволило команде идентифицировать конкретные места, где белок связывается с комплексом включения метана.

Удивительно новая система

Исследование выявило неожиданную информацию о структуре и функциях белков. Первоначально исследователи думали, что часть белка, подобная белкам-антифризам рыб, будет играть роль в связывании комплекса включения. Удивительно, но эта часть белка не играет никакой роли, а взаимодействием управляет совершенно другой механизм.

Они обнаружили, что эти белки не связываются со льдом, а взаимодействуют с самой структурой включения, направляя ее рост. В частности, части белка, которые имеют свойства, аналогичные белкам-антифризам, скрыты в структуре белка и вместо этого служат для стабилизации белка.

Исследователи обнаружили, что эти белки лучше модифицируют клатраты метана, чем любой антифризный белок, протестированный в прошлом. Они действуют так же хорошо, если не лучше, чем токсичные коммерческие комплексные ингибиторы включения, используемые в настоящее время в бурении и представляющие серьезную угрозу для окружающей среды.

Предотвращение образования клатратов в газопроводах — это многомиллиардная индустрия. Если бы эти биоразлагаемые белки можно было использовать для предотвращения катастрофических утечек природного газа, риск ущерба окружающей среде был бы значительно снижен.

«Нам повезло, что это действительно сработало, потому что, хотя мы выбрали эти белки на основе их сходства с белками-антифризами, они совершенно разные», — сказал Джонсон. «В природе они выполняют схожие функции, но осуществляют это посредством совершенно разных биологических систем, что, на мой взгляд, действительно интересно».

Клатраты метана могут существовать по всей Солнечной системе, например, в недрах Марса и на ледяных спутниках внешней Солнечной системы, таких как Европа. Результаты команды предполагают, что если бы микробы существовали на других планетарных телах, они могли бы производить аналогичные биомолекулы для удержания жидкой воды в каналах клатратов, тем самым поддерживая жизнь.

«Мы все еще многое знаем о фундаментальных системах на Земле», — сказал Хуард. «Это одна из замечательных особенностей Технологического института Джорджии — разные сообщества могут объединяться, чтобы заниматься действительно крутой и неожиданной наукой. Я никогда не думал, что буду работать над программой по астробиологии, но вот мы здесь, и мы очень успешны».