Le attività industriali e agricole producono grandi quantità di metano, un gas serra che contribuisce al riscaldamento globale. Molti batteri producono anche metano come sottoprodotto del loro metabolismo. Parte di questo metano rilasciato naturalmente proviene dall'oceano, un fenomeno che ha a lungo sconcertato gli scienziati perché non sono noti organismi produttori di metano che vivono vicino alla superficie dell'oceano.

Un team di ricercatori del MIT e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha fatto una scoperta che potrebbe aiutare a rispondere a questo "paradosso del metano oceanico". Primo, hanno identificato la struttura di un enzima in grado di produrre un composto noto per essere convertito in metano. Quindi, hanno usato queste informazioni per dimostrare che questo enzima esiste in alcuni dei microbi marini più abbondanti. Credono che questo composto sia probabilmente la fonte del gas metano rilasciato nell'atmosfera sopra l'oceano.

Il metano prodotto dall'oceano rappresenta circa il 4% del totale che viene scaricato nell'atmosfera, e una migliore comprensione della provenienza di questo metano potrebbe aiutare gli scienziati a spiegare meglio il suo ruolo nel cambiamento climatico, dicono i ricercatori.

"Comprendere il ciclo globale del carbonio è molto importante, soprattutto quando si parla di cambiamento climatico, "dice Catherine Drennan, un professore di chimica e biologia del MIT e ricercatore dell'Howard Hughes Medical Institute. "Da dove viene realmente il metano? Come viene utilizzato? Comprendere il flusso della natura è un'informazione importante da avere in tutte queste discussioni".

Drennan e Wilfred van der Donk, professore di chimica all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, sono gli autori senior del documento, che appare nell'edizione online del 7 dicembre di Scienza . Gli autori principali sono David Born, uno studente laureato al MIT e all'Università di Harvard, ed Emily Ulrich, uno studente laureato presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Risolvere il mistero

Molti batteri producono metano come sottoprodotto del loro metabolismo, ma la maggior parte di questi batteri vive in ambienti poveri di ossigeno come l'oceano profondo o il tratto digestivo degli animali, non vicino alla superficie dell'oceano.

Diversi anni fa, van der Donk e il collega dell'Università dell'Illinois William Metcalf hanno trovato un possibile indizio sul mistero del metano oceanico:hanno scoperto un enzima microbico che produce un composto chiamato metilfosfonato, che può diventare metano quando una molecola di fosfato viene scissa da esso. Questo enzima è stato trovato in un microbo chiamato Nitrosopumilus maritimus, che vive vicino alla superficie dell'oceano, ma l'enzima non è stato facilmente identificato in altri microbi oceanici come ci si sarebbe aspettato che fosse.

La squadra di Van der Donk conosceva la sequenza genetica dell'enzima, noto come metilfosfonato sintasi (MPnS), che ha permesso loro di ricercarne altre versioni nei genomi di altri microbi. Però, ogni volta che trovavano una potenziale corrispondenza, l'enzima si è rivelato essere un enzima correlato chiamato idrossietilfosfonato diossigenasi (HEPD), che genera un prodotto molto simile al metilfosfonato ma che non può essere scisso per produrre metano.

Van der Donk chiese a Drennan, un esperto nella determinazione delle strutture chimiche delle proteine, se potesse provare a rivelare la struttura di MPnS, nella speranza che li aiuterebbe a trovare più varianti dell'enzima in altri batteri.

Per trovare la struttura, il team del MIT ha utilizzato la cristallografia a raggi X, che hanno eseguito in una camera speciale senza ossigeno. Sapevano che l'enzima richiede ossigeno per catalizzare la produzione di metilfosfonato, quindi, eliminando l'ossigeno, sono stati in grado di ottenere istantanee dell'enzima mentre si legava ai partner di reazione necessari, ma prima che eseguisse la reazione.

I ricercatori hanno confrontato i dati della cristallografia di MPnS con il relativo enzima HEPD e hanno trovato una piccola ma fondamentale differenza. Nel sito attivo di entrambi gli enzimi (la parte della proteina che catalizza le reazioni chimiche), c'è un amminoacido chiamato glutammina. In MPnS, questa molecola di glutammina si lega al ferro, un cofattore necessario per la produzione di metilfosfonato. La glutammina è fissata in un orientamento legante il ferro dall'aminoacido ingombrante isoleucina, che è direttamente al di sotto della glutammina in MPnS. Però, nell'HEPD, l'isoleucina viene sostituita dalla glicina, e la glutammina è libera di riorganizzarsi in modo da non essere più legata al ferro.

"Cercavamo differenze che avrebbero portato a prodotti diversi, e questa è stata l'unica differenza che abbiamo visto, " Born dice. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che cambiare la glicina in HEPD in isoleucina era sufficiente per convertire l'enzima in un MPnS.

Un enzima abbondante

Cercando nei database di sequenze genetiche di migliaia di microbi, i ricercatori hanno trovato centinaia di enzimi con la stessa configurazione strutturale vista nel loro enzima MPnS originale. Per di più, tutti questi sono stati trovati nei microbi che vivono nell'oceano, e uno è stato trovato in un ceppo di un microbo oceanico estremamente abbondante noto come Pelagibacter ubique.

Non è ancora noto quale funzione servano questo enzima e il suo prodotto nei batteri oceanici. Si ritiene che i metilfosfonati siano incorporati in molecole di grasso chiamate fosfonolipidi, che sono simili ai fosfolipidi che compongono le membrane cellulari.

"La funzione di questi fosfolipidi non è ben stabilita, anche se sono noti da decenni. Questa è una domanda davvero interessante da porre, " Born dice. "Ora sappiamo che vengono prodotti in grandi quantità, soprattutto nell'oceano, ma in realtà non sappiamo cosa facciano o in che modo avvantaggiano l'organismo".

Un'altra domanda chiave è come la produzione di metano da parte di questi organismi sia influenzata dalle condizioni ambientali nell'oceano, compresa la temperatura e l'inquinamento come il deflusso di fertilizzanti.

"Sappiamo che la scissione del metilfosfonato si verifica quando i microbi sono affamati di fosforo, ma dobbiamo capire quali nutrienti sono collegati a questo, e come è collegato al pH dell'oceano, e come è collegato alla temperatura dell'oceano, "Drennan dice. "Abbiamo bisogno di tutte queste informazioni per essere in grado di pensare a quello che stiamo facendo, così possiamo prendere decisioni intelligenti sulla protezione degli oceani".