Las actividades industriales y agrícolas producen grandes cantidades de metano, un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global. Muchas bacterias también producen metano como un subproducto de su metabolismo. Parte de este metano liberado naturalmente proviene del océano, un fenómeno que durante mucho tiempo ha intrigadocientíficos porque no hay organismos productores de metano conocidos que vivan cerca de la superficie del océano.
Un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha hecho un descubrimiento que podría ayudar a responder a esta "paradoja del metano oceánico". Primero, identificaron la estructura de una enzima que puede producir un compuesto conocidopara convertirse en metano. Luego, utilizaron esa información para mostrar que esta enzima existe en algunos de los microbios marinos más abundantes. Creen que este compuesto es probablemente la fuente de gas metano que se libera a la atmósfera sobre el océano.
El metano producido en el océano representa alrededor del 4 por ciento del total que se descarga a la atmósfera, y una mejor comprensión de dónde proviene este metano podría ayudar a los científicos a explicar mejor su papel en el cambio climático, dicen los investigadores.
"Comprender el ciclo global del carbono es realmente importante, especialmente cuando se habla del cambio climático", dice Catherine Drennan, profesora de química y biología del MIT e investigadora del Instituto Médico Howard Hughes. "¿De dónde viene realmente el metano? ¿Cómo está siendo?utilizado? Comprender el flujo de la naturaleza es información importante para tener en todas esas discusiones "
Drennan y Wilfred van der Donk, profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, son los autores principales del artículo, que aparece en la edición en línea del 7 de diciembre de ciencia . Los autores principales son David Born, un estudiante graduado en el MIT y la Universidad de Harvard, y Emily Ulrich, una estudiante graduada en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Resolviendo el misterio
Muchas bacterias producen metano como un subproducto de su metabolismo, pero la mayoría de estas bacterias viven en ambientes pobres en oxígeno, como el océano profundo o el tracto digestivo de los animales, no cerca de la superficie del océano.
Hace varios años, van der Donk y el colega de la Universidad de Illinois William Metcalf encontraron una posible pista sobre el misterio del metano oceánico: descubrieron una enzima microbiana que produce un compuesto llamado metilfosfonato, que puede convertirse en metano cuando se separa una molécula de fosfato deEsta enzima se encontró en un microbio llamado Nitrosopumilus maritimus, que vive cerca de la superficie del océano, pero la enzima no se identificó fácilmente en otros microbios del océano como uno hubiera esperado que fuera.
El equipo de Van der Donk conocía la secuencia genética de la enzima, conocida como metilfosfonato sintasa MPnS, que les permitía buscar otras versiones en los genomas de otros microbios. Sin embargo, cada vez que encontraban una coincidencia potencial,La enzima resultó ser una enzima relacionada llamada hidroxietilfosfonato dioxigenasa HEPD, que genera un producto que es muy similar al metilfosfonato pero no se puede escindir para producir metano.
Van der Donk le preguntó a Drennan, experta en determinar estructuras químicas de proteínas, si podía tratar de revelar la estructura de MPnS, con la esperanza de que les ayudara a encontrar más variantes de la enzima en otras bacterias.
Para encontrar la estructura, el equipo del MIT utilizó la cristalografía de rayos X, que realizaron en una cámara especial sin oxígeno. Sabían que la enzima requiere oxígeno para catalizar la producción de metilfosfonato, por lo que al eliminar el oxígeno pudieron obtenerinstantáneas de la enzima, ya que se unió a los compañeros de reacción necesarios pero antes de que realizara la reacción.
Los investigadores compararon los datos de cristalografía de MPnS con la enzima HEPD relacionada y encontraron una diferencia pequeña pero crítica. En el sitio activo de ambas enzimas la parte de la proteína que cataliza las reacciones químicas, hay un aminoácido llamado glutamina.En MPnS, esta molécula de glutamina se une al hierro, un cofactor necesario para la producción de metilfosfonato. La voluminosa isoleucina, que está directamente debajo de la glutamina en MPnS, fija la glutamina en una orientación de unión al hierro. Sin embargo, en HEPD,la isoleucina se reemplaza por glicina y la glutamina es libre de reorganizarse para que ya no se una al hierro.
"Estábamos buscando diferencias que condujeran a diferentes productos, y esa fue la única diferencia que vimos", dice Born. Además, los investigadores encontraron que cambiar la glicina en HEPD a isoleucina era suficiente para convertir la enzima en unMPnS.
una enzima abundante
Al buscar en bases de datos de secuencias genéticas de miles de microbios, los investigadores encontraron cientos de enzimas con la misma configuración estructural observada en su enzima MPnS original. Además, todas estas se encontraron en microbios que viven en el océano, y se encontró unaen una cepa de un microbio oceánico extremadamente abundante conocido como Pelagibacter ubique.
Todavía se desconoce qué función cumplen esta enzima y su producto en las bacterias oceánicas. Se cree que los metilfosfonatos se incorporan a las moléculas grasas llamadas fosfonolípidos, que son similares a los fosfolípidos que forman las membranas celulares.
"La función de estos fosfonolípidos no está bien establecida, aunque se sabe que existen desde hace décadas. Esa es una pregunta realmente interesante", dice Born. "Ahora sabemos que se están produciendo en grandes cantidades, especialmente en el océano, pero en realidad no sabemos qué hacen o cómo benefician al organismo ".
Otra pregunta clave es cómo la producción de metano por estos organismos está influenciada por las condiciones ambientales en el océano, incluida la temperatura y la contaminación, como la escorrentía de fertilizantes.
"Sabemos que la escisión del metilfosfonato ocurre cuando los microbios carecen de fósforo, pero necesitamos descubrir qué nutrientes están conectados a esto, y cómo está conectado al pH del océano, y cómo está conectado a la temperatura delocéano ", dice Drennan." Necesitamos toda esa información para poder pensar en lo que estamos haciendo, para que podamos tomar decisiones inteligentes sobre la protección de los océanos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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