Un team interdisciplinare di scienziati del College of Agriculture e College of Letters and Science della Montana State University ha recentemente pubblicato una ricerca che getta nuova luce su un elemento precedentemente sconosciuto del ciclo del carbonio, grazie ai dati raccolti dal Parco Nazionale di Yellowstone in più di un decennio.

Tim McDermott, un professore del Dipartimento di Risorse Territoriali e Scienze Ambientali della MSU, ha iniziato a studiare la microbiologia del lago Yellowstone nel 2007. Mentre raccoglieva dati per analizzare la chimica del lago e l'interazione di vari microbi nel lago con le caratteristiche termiche sottostanti del parco, McDermott ha notato che qualcosa sembrava strano.

"Ci siamo imbattuti in alcune sostanze chimiche del gas d'acqua del lago che non avevano un briciolo di senso, " ha detto McDermott. "Abbiamo visto molto metano in posti che non ci aspettavamo e ci siamo chiesti, 'cosa sta succedendo qui?'"

Questa discrepanza illustra quello che è stato definito il "paradosso del metano". Per anni, gli scienziati hanno capito che quando i microrganismi producono metano, lo fanno in anaerobiosi, nel senso che non usano l'ossigeno. Ma nelle acque superficiali del lago dove la squadra stava vedendo il metano, nessuno di questi organismi è stato trovato.

Il metano è un gas naturale composto da atomi di carbonio e idrogeno. È il sottoprodotto di una serie di processi biologici, sebbene anche attività umane come l'estrazione del carbone e la raffinazione del gas naturale producano metano. È un gas serra noto per essere molto più potente quando intrappola il calore nell'atmosfera rispetto all'anidride carbonica, ecco perché molti ricercatori sono interessati a identificare dove nella biosfera si crea e dove va.

Così iniziò uno sforzo collaborativo di anni con John Dore, anche del Dipartimento di Risorse Territoriali e Scienze Ambientali; Brian Bothner e Roland Hatzenpichler del Dipartimento di Chimica e Biochimica; e Qian Wang, professore assistente di ricerca presso il Dipartimento di Microbiologia e Biologia Cellulare. Lo studio è oggetto di un nuovo articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze intitolato "Sintesi di metano batterico aerobico".

Wang ha guidato il lavoro a Yellowstone Lake per cinque estati di raccolta e analisi dei dati.

"All'inizio, non ci rendevamo conto di cosa stava succedendo, " ha detto. "Ma quando abbiamo fatto l'estrazione del DNA dall'acqua del lago, si scopre che non siamo riusciti a trovare gli organismi anaerobici che sono solitamente responsabili della presenza di metano. Anziché, abbiamo scoperto che erano coinvolti batteri aerobici, isolando un batterio chiamato Acidovorax, che poi ci ha permesso di iniziare a capire questo processo."

Il gruppo di laboratorio Bothner ha utilizzato apparecchiature analitiche per identificare la presenza di metilammina e glicina betaina nell'acqua del lago, biochimici che il team ha ipotizzato siano fondamentali nel processo di produzione del metano. Per testare la teoria, Wang ha ristretto il gene di cui i batteri Acidovorax avevano bisogno per convertire la metilammina o la glicina betaina in metano.

"Possiamo scomporre questo in una scoperta di base sulla conversione della metilammina in metano in condizioni aerobiche, "ha detto McDermott. "Scientificamente, questo non doveva accadere sulla base di tutte le conoscenze che avevamo. Così, abbiamo attraversato un processo di eliminazione per identificare come e perché ciò stava accadendo ed è un altro esempio di scoperte fondamentali fatte dalla ricerca di Yellowstone".

Attraverso una serie di esperimenti microbici e un'analisi approfondita della più ampia comunità biologica presente nei campioni lacustri, Wang ha identificato un gene noto che codifica per l'aspartato aminotransferasi, o AAT, che sembrava catalizzare la sintesi del metano.

Il passo successivo era vedere se l'enzima AAT stesso era in grado di catalizzare la conversione della metilammina in metano. Fare quello, Wang ha isolato il gene, lo ha trasferito a E. coli, che è comunemente usato da microbiologi e biochimici per la sua capacità di esprimere geni estranei; McDermott lo ha paragonato all'inserimento di una cassetta in un lettore.

Una comune cellula di E. coli, ha spiegato Wang, non può convertire la metilammina in metano. Ma quando viene fornito con il gene AAT, potrebbe.

"Di questi tempi è raro imbattersi in qualcosa che non può essere spiegato dalla nostra attuale comprensione della biochimica, " ha detto Bothner. "Questo ha reso questo progetto interessante e stimolante su cui lavorare".

La grandezza della scoperta non può essere sopravvalutata, disse Bothner. Il fatto che la sintesi aerobica del metano possa avvenire è un cambiamento sismico nel campo della biogeochimica. Poiché il metano è un gas serra molto più potente dell'anidride carbonica, gli scienziati sono interessati a identificare dove nella biosfera viene creato e dove va. Questo progetto, Egli ha detto, crea un trampolino di lancio per ulteriori approfondite ricerche nel Parco Nazionale di Yellowstone e oltre.

"Questo è un processo fondamentalmente diverso dalla sintesi anaerobica del metano, "ha detto McDermott. "In senso ecologico, è logico pensare che questo avvenga in tutta la biosfera, non solo nel lago di Yellowstone. È concepibile pensare che stia accadendo anche negli oceani del mondo e in tutto il mondo".