Milliarden Tonnen Treibhausgase sind im Meer eingeschlossen, und das ist gut so. Entlang der Küste des Kontinents, die ins Meer abfällt, halten winzige Eiskäfige Methangas fest und verhindern so, dass es aufsteigt und in die Atmosphäre gelangt. Obwohl in den Medien nicht oft hervorgehoben, werden diese als Methanclathrate bekannten Formationen auf ihre möglichen Auswirkungen auf den Klimawandel hin untersucht. Bei Offshore-Bohrarbeiten kann Methaneis Rohre verstopfen und zum Einfrieren und Brechen führen. Es wird vermutet, dass die Ölkatastrophe der Deepwater Horizon 2010 durch die Ansammlung von Methanclathraten verursacht wurde.

Methanclathrate (weißes eisartiges Material) unter Meeresbodengesteinen im nördlichen Golf von Mexiko. Solche Ablagerungen weisen darauf hin, dass Methan und andere Gase über den Meeresboden in den Ozean gelangen. Bildquelle: NOAA

Doch bisher waren die biologischen Prozesse, wie Methangas am Meeresboden stabil bleibt, nahezu völlig unbekannt. In einer bahnbrechenden Studie hat ein interdisziplinäres Team von Forschern der Georgia Tech eine bisher unbekannte Klasse bakterieller Proteine ​​entdeckt, die eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Stabilität von Methan-Einschlusskomplexen spielen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Jennifer Glass, außerordentliche Professorin an der School of Earth and Atmospheric Sciences, und Raquel Lieberman, Professorin an der School of Chemistry and Biochemistry und Sepcic-Pfeil Chair, zeigte, dass diese neuartigen Bakterienproteine ​​das Wachstum von Methanclathraten genauso wirksam hemmen wie kommerzielle Chemikalien, die derzeit beim Bohren von Bohrlöchern verwendet werden, aber ungiftig, umweltfreundlich und skalierbar sind. Ihre von der NASA finanzierte Forschung liefert Informationen zur Suche nach Leben im Sonnensystem und könnte auch die Sicherheit des Erdgastransports verbessern.

Die in der Fachzeitschrift PNAS Nexus veröffentlichte Studie unterstreicht die Bedeutung der Grundlagenforschung für die Erforschung der natürlichen biologischen Systeme der Erde und hebt die Vorteile der interdisziplinären Zusammenarbeit hervor.

„Wir wollten verstehen, wie diese Formationen auf dem Meeresboden stabil bleiben und welche Mechanismen genau zu ihrer Stabilität beitragen“, sagte Glass. „Das ist etwas, was noch niemand zuvor getan hat.“

Sedimentsiebung

Die Arbeit begann damit, dass das Team tonartige Sedimentproben untersuchte, die Glass vom Meeresboden vor der Küste Oregons gesammelt hatte.

Glass geht davon aus, dass das Sediment Proteine ​​enthält, die das Wachstum von Methanclathraten beeinflussen, ähnlich den bekannten Frostschutzproteinen in Fischen, die ihnen beim Überleben in kalten Umgebungen helfen.

Morphologische Wirkungen von Inhibitoren auf Methankäfigschalen. Links: Eine Karikatur, die die Bildung von Methan-Einschlusskomplexen zu Beginn des Einschlusswachstums und nach 3 Stunden mit und ohne Inhibitoren zeigt. Rechts: Repräsentative Fotos experimenteller Methanclathrate in jedem Wachstumsstadium, gekennzeichnet nach Behandlung. Bildquelle: Georgia Tech

Doch um ihre Hypothese zu bestätigen, mussten Glass und ihr Forschungsteam zunächst Kandidatenproteine ​​unter den Millionen potenzieller Ziele im Sediment identifizieren. Anschließend mussten sie die Proteine ​​im Labor herstellen, obwohl sie nicht wussten, wie sich diese Proteine ​​verhielten. Darüber hinaus hatte noch niemand diese Proteine ​​untersucht.

Glass wandte sich an Lieberman, dessen Labor die Struktur von Proteinen untersuchte. Der erste Schritt besteht darin, mithilfe von DNA-Sequenzierung in Kombination mit Bioinformatik die Gene für im Sediment enthaltene Proteine ​​zu identifizieren. Dustin Huard, ein Forscher in Liebermans Labor und Erstautor der Arbeit, bereitete dann Kandidatenproteine ​​vor, die an den Methan-Einschlusskomplex binden könnten. Huard nutzt die Röntgenkristallographie, um die Struktur von Proteinen zu bestimmen.

Meeresbodenbedingungen im Labor schaffen

Huard gab das Kandidatenprotein der ehemaligen Doktorandin Abigail Johnson. Student in Glass‘ Labor und Co-Erstautor der Arbeit, jetzt Postdoktorand an der University of Georgia. Um diese Proteine ​​zu testen, stellte Johnson im Labor die hohen Drücke und niedrigen Temperaturen des Meeresbodens nach und bildete dabei selbst Methanclathrate. Johnson arbeitete mit Dai Sheng, einem außerordentlichen Professor an der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, zusammen, um eine einzigartige Druckkammer von Grund auf zu bauen.

Johnson gab das Protein in einen Druckbehälter und stellte das System so ein, dass es die Druck- und Temperaturbedingungen simulierte, die für die Bildung des Einschlusskomplexes erforderlich sind. Indem er das Gefäß mit Methan unter Druck setzte, drückte Johnson das Methan in die Tröpfchen und bildete eine Methan-Clathrat-Struktur.

Anschließend maß sie die von den Clathraten verbrauchte Gasmenge – ein Maß dafür, wie schnell und wie viel Clathrate sich bildeten – in Gegenwart und Abwesenheit von Protein. Johnson fand heraus, dass bei Verwendung von Clathrat-bindenden Proteinen weniger Gas verbraucht wurde und die Clathrat-Verbindungen bei höheren Temperaturen schmolzen.

Als das Forschungsteam bestätigte, dass diese Proteine ​​die Bildung und Stabilität von Methan-Einschlusskomplexen beeinflussen, führten sie mit Hilfe von James (JC) Gumbart, einem Professor an der School of Physics, Molekulardynamiksimulationen unter Verwendung der Huard-Proteinkristallstruktur durch. Die Simulationen ermöglichten es dem Team, die spezifischen Stellen zu identifizieren, an denen das Protein an den Methan-Einschlusskomplex bindet.

Ein überraschend neuartiges System

Die Studie brachte unerwartete Einblicke in die Struktur und Funktion von Proteinen. Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass ein Teil des Proteins, das Fisch-Frostschutzproteinen ähnelt, eine Rolle bei der Bindung des Einschlusskomplexes spielen würde. Überraschenderweise spielt dieser Teil des Proteins keine Rolle und ein völlig anderer Mechanismus steuert die Interaktion.

Sie fanden heraus, dass diese Proteine ​​nicht an das Eis binden, sondern mit der Einschlussstruktur selbst interagieren und so deren Wachstum steuern. Konkret sind Teile des Proteins, die ähnliche Eigenschaften wie Frostschutzproteine ​​haben, in der Proteinstruktur vergraben und dienen stattdessen der Stabilisierung des Proteins.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Proteine ​​bei der Modifizierung von Methanclathraten eine bessere Leistung erbrachten als alle bisher getesteten Frostschutzproteine. Ihre Leistung ist genauso gut, wenn nicht sogar besser, als die giftigen kommerziellen Einschlusskomplex-Inhibitoren, die derzeit beim Bohren verwendet werden und eine ernsthafte Gefahr für die Umwelt darstellen.

Die Verhinderung der Clathratbildung in Erdgaspipelines ist eine milliardenschwere Industrie. Wenn diese biologisch abbaubaren Proteine ​​zur Verhinderung katastrophaler Erdgaslecks eingesetzt werden könnten, würde das Risiko von Umweltschäden erheblich verringert.

„Wir hatten Glück, dass dies tatsächlich funktionierte, denn obwohl wir diese Proteine ​​aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit Frostschutzproteinen ausgewählt haben, sind sie völlig unterschiedlich“, sagte Johnson. „Sie haben in der Natur ähnliche Funktionen, tun dies jedoch über völlig unterschiedliche biologische Systeme, was ich wirklich spannend finde.“

Methanclathrate können im gesamten Sonnensystem vorkommen – beispielsweise im Untergrund des Mars und auf eisigen Monden im äußeren Sonnensystem wie Europa. Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass Mikroben, wenn sie auf anderen Planetenkörpern existierten, ähnliche Biomoleküle produzieren könnten, um flüssiges Wasser in den Clathratkanälen zurückzuhalten und so das Leben zu unterstützen.

„Wir wissen immer noch viel über die grundlegenden Systeme auf der Erde“, sagte Huard. „Das ist eines der großartigen Dinge an der Georgia Tech – verschiedene Gemeinschaften können zusammenkommen, um wirklich coole, unerwartete Wissenschaft zu betreiben. Ich hätte nie gedacht, dass ich einmal an einem Astrobiologieprogramm arbeiten würde, aber hier sind wir und wir sind sehr erfolgreich.“