Ett tvärvetenskapligt team av forskare från Montana State Universitys College of Agriculture och College of Letters and Science publicerade nyligen forskning som kastade nytt ljus över ett tidigare okänt element i kolets kretslopp, tack vare data som samlats in från Yellowstone National Park under mer än ett decennium.

Tim McDermott, professor vid MSU:s institution för markresurser och miljövetenskap, började studera mikrobiologin i Yellowstone Lake 2007. Samtidigt som man samlade in data för att analysera sjöns kemi och interaktionen mellan olika mikrober i sjön med parkens underliggande termiska egenskaper, McDermott märkte att något verkade fel.

"Vi stötte på några gaskemier i sjövatten som inte var vettiga, ", sa McDermott. "Vi såg mycket metan på platser vi inte förväntade oss och undrade, 'vad händer här?'"

Den diskrepansen illustrerade vad som har kallats "metanparadoxen". I åratal, forskare har förstått att när mikroorganismer producerar metan, de gör det anaerobt, vilket betyder att de inte använder syre. Men i ytvattnet i sjön där teamet såg metan, ingen av dessa organismer hittades.

Metan är en naturligt förekommande gas som består av kol- och väteatomer. Det är en biprodukt av ett antal biologiska processer, även om mänskliga aktiviteter som att bryta kol och raffinera naturgas också producerar metan. Det är en växthusgas som är känd för att vara mycket mer potent när den fångar värme i atmosfären än koldioxid, Det är därför många forskare är intresserade av att identifiera var i biosfären den skapas och var den tar vägen.

Så började ett år långt samarbete med John Dore, även av Institutionen för markresurser och miljövetenskap; Brian Bothner och Roland Hatzenpichler vid Institutionen för kemi och biokemi; och Qian Wang, en biträdande forskningsprofessor vid institutionen för mikrobiologi och cellbiologi. Studien är föremål för en ny artikel som publicerades i veckan i tidskriften Proceedings of the National Academy of Science med titeln "Aerob bakteriell metansyntes."

Wang ledde arbetet vid Yellowstone Lake under fem somrar av datainsamling och analys.

"I början, vi förstod inte vad som hände, " sa hon. "Men när vi gjorde DNA-extraktionen från sjövattnet, det visar sig att vi inte kunde hitta de anaeroba organismer som vanligtvis är ansvariga för närvaron av metan. Istället, vi upptäckte att aeroba bakterier var inblandade, isolera en bakterie som heter Acidovorax, vilket sedan tillät oss att börja förstå denna process."

Bothner-labgruppen använde analytisk utrustning för att identifiera förekomsten av metylamin och glycinbetain i sjövattnet, biokemikalier som teamet ansåg vara nyckeln i processen för metanproduktion. För att testa teorin, Wang minskade vilken gen Acidovorax-bakterierna behövde för att omvandla metylamin eller glycinbetain till metan.

"Vi kan bryta ner detta till en grundläggande upptäckt om metylaminomvandling till metan under aeroba förhållanden, " sa McDermott. "Vetenskapligt, det här var inte meningen att det skulle hända baserat på all kunskap vi hade. Så, vi gick igenom en elimineringsprocess för att identifiera hur och varför detta hände och är ytterligare ett exempel på grundläggande upptäckter från Yellowstone-forskning."

Genom en serie mikrobiella experiment och omfattande analys av det bredare biologiska samhället som finns i sjöproverna, Wang identifierade en känd gen som kodar för aspartataminotransferas, eller AAT, som verkade katalysera metansyntesen.

Nästa steg var att se om AAT-enzymet i sig var kapabelt att katalysera omvandlingen av metylamin till metan. Att göra det, Wang isolerade genen, överförde det till E. coli, som vanligtvis används av mikrobiologer och biokemister på grund av dess förmåga att uttrycka främmande gener; McDermott liknade det vid att sätta in ett kassettband i en spelare.

En vanlig E. coli-cell, förklarade Wang, kan inte omvandla metylamin till metan. Men när den förses med AAT-genen, det kunde.

"Det är sällsynt nuförtiden att stöta på något som inte kan förklaras av vår nuvarande förståelse av biokemi, ", sa Bothner. "Det har gjort detta till ett intressant och utmanande projekt att arbeta med."

Upptäcktens storlek kan inte överskattas, sa Bothner. Det faktum att aerob metansyntes överhuvudtaget kan ske är ett seismiskt skifte inom biogeokemi. Eftersom metan är en mycket mer potent växthusgas än koldioxid, forskare är intresserade av att identifiera var i biosfären den skapas och var den tar vägen. Det här projektet, han sa, skapar en språngbräda för omfattande vidare forskning i Yellowstone National Park och utanför.

"Detta är en fundamentalt annorlunda process än anaerob metansyntes, " sade McDermott. "I en ekologisk mening, det är logiskt att tro att detta sker i hela biosfären, inte bara i Yellowstone Lake. Det är tänkbart att tro att det till och med förekommer över hela världens hav och över hela världen."