Industriell och jordbruksverksamhet producerar stora mängder metan, en växthusgas som bidrar till den globala uppvärmningen. Många bakterier producerar också metan som en biprodukt av deras ämnesomsättning. En del av denna naturligt frigjorda metan kommer från havet, ett fenomen som länge har förbryllat forskarna eftersom det inte finns några kända metanproducerande organismer som lever nära havets yta.

Ett team av forskare från MIT och University of Illinois i Urbana-Champaign har gjort en upptäckt som kan hjälpa till att besvara denna "havsmetanparadox". Först, de identifierade strukturen hos ett enzym som kan producera en förening som är känd för att omvandlas till metan. Sedan, de använde den informationen för att visa att detta enzym finns i några av de mest förekommande marina mikroberna. De tror att denna förening sannolikt är källan till att metangas släpps ut i atmosfären ovanför havet.

Havsproducerad metan representerar cirka 4 procent av den totala mängden som släpps ut i atmosfären, och en bättre förståelse för var denna metan kommer ifrån kan hjälpa forskare att bättre redogöra för dess roll i klimatförändringarna, säger forskarna.

"Att förstå den globala kolcykeln är verkligen viktigt, speciellt när man pratar om klimatförändringar, säger Catherine Drennan, en MIT-professor i kemi och biologi och Howard Hughes Medical Institute Investigator. "Var kommer metan ifrån egentligen? Hur används det? Att förstå naturens flöde är viktig information att ha i alla dessa diskussioner."

Drennan och Wilfred van der Donk, en professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign, är de äldre författarna av tidningen, som visas i onlineupplagan den 7 december av Vetenskap . Huvudförfattare är David Born, en doktorand vid MIT och Harvard University, och Emily Ulrich, en doktorand vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

Att lösa mysteriet

Många bakterier producerar metan som en biprodukt av deras ämnesomsättning, men de flesta av dessa bakterier lever i syrefattiga miljöer som djuphavet eller matsmältningskanalen hos djur – inte nära havets yta.

Många år sedan, van der Donk och University of Illinois-kollegan William Metcalf hittade en möjlig ledtråd till mysteriet med havsmetan:De upptäckte ett mikrobiellt enzym som producerar en förening som heter metylfosfonat, som kan bli metan när en fosfatmolekyl klyvs från den. Detta enzym hittades i en mikrob som heter Nitrosopumilus maritimus, som bor nära havsytan, men enzymet kunde inte lätt identifieras i andra havsmikrober som man skulle ha förväntat sig.

Van der Donks team kände till den genetiska sekvensen av enzymet, känd som metylfosfonatsyntas (MPnS), vilket gjorde det möjligt för dem att söka efter andra versioner av det i andra mikrobers genom. Dock, varje gång de hittade en potentiell matchning, enzymet visade sig vara ett besläktat enzym som kallas hydroxietylfosfonatdioxygenas (HEPD), som genererar en produkt som är mycket lik metylfosfonat men inte kan klyvas för att producera metan.

Van der Donk frågade Drennan, en expert på att bestämma kemiska strukturer hos proteiner, om hon kunde försöka avslöja strukturen för MPnS, i hopp om att det skulle hjälpa dem att hitta fler varianter av enzymet i andra bakterier.

För att hitta strukturen, MIT-teamet använde röntgenkristallografi, som de utförde i en speciell kammare utan syre. De visste att enzymet kräver syre för att katalysera produktionen av metylfosfonat, så genom att eliminera syre kunde de få ögonblicksbilder av enzymet när det band till de nödvändiga reaktionspartnerna men innan det utförde reaktionen.

Forskarna jämförde kristallografidata från MPnS med det relaterade HEPD-enzymet och fann en liten men kritisk skillnad. På det aktiva stället för båda enzymerna (den del av proteinet som katalyserar kemiska reaktioner), det finns en aminosyra som heter glutamin. I MPnS, denna glutaminmolekyl binder till järn, en nödvändig kofaktor för framställning av metylfosfonat. Glutaminet fixeras i en järnbindande orientering av den skrymmande aminosyran isoleucin, som är direkt under glutaminet i MPnS. Dock, i HEPD, isoleucinet ersätts med glycin, och glutaminet är fritt att ordna om så att det inte längre är bundet till järn.

"Vi letade efter skillnader som skulle leda till olika produkter, och det var den enda skillnaden som vi såg, " säger Born. Dessutom, forskarna fann att det var tillräckligt att byta glycin i HEPD till isoleucin för att omvandla enzymet till en MPnS.

Ett rikligt enzym

Genom att söka i databaser med genetiska sekvenser från tusentals mikrober, forskarna hittade hundratals enzymer med samma strukturella konfiguration som i deras ursprungliga MPnS-enzym. Vidare, alla dessa hittades i mikrober som lever i havet, och en hittades i en stam av en extremt riklig havsmikrob känd som Pelagibacter ubique.

Det är fortfarande okänt vilken funktion detta enzym och dess produkt har i havets bakterier. Metylfosfonater tros inkorporeras i fettmolekyler som kallas fosfonolipider, som liknar fosfolipiderna som utgör cellmembranen.

"Funktionen av dessa fosfonolipider är inte väletablerad, även om de har varit kända för att finnas kvar i årtionden. Det är en riktigt intressant fråga att ställa, " säger Born. "Nu vet vi att de produceras i stora mängder, speciellt i havet, men vi vet faktiskt inte vad de gör eller hur de gynnar organismen alls."

En annan nyckelfråga är hur dessa organismers produktion av metan påverkas av miljöförhållandena i havet, inklusive temperatur och föroreningar såsom avrinning av gödselmedel.

"Vi vet att metylfosfonatklyvning sker när mikrober svälter efter fosfor, men vi måste ta reda på vilka näringsämnen som är kopplade till detta, och hur är det kopplat till havets pH, och hur är det kopplat till temperaturen i havet, Drennan säger. "Vi behöver all den informationen för att kunna tänka på vad vi gör, så vi kan fatta intelligenta beslut om att skydda haven."