Примерно две трети всех выбросов метана в атмосферу — мощного парникового газа, который нагревает планету Земля — происходят от микробов, обитающих в бескислородных средах, таких как водно-болотные угодья, рисовые поля, свалки и желудки коров.
Отслеживание источников атмосферного метана и количественная оценка их значимости остаются сложной задачей. Учёные довольно хорошо умеют отслеживать источники основного парникового газа, углекислого газа, чтобы сосредоточиться на сокращении этих выбросов. Но для определения происхождения метана учёным часто приходится измерять изотопный состав атомов углерода и водорода, входящих в состав метана, чтобы использовать его в качестве «отпечатка пальца» различных источников в окружающей среде.
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли [рассказывают](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2098), как активность одного из основных микробных ферментов, участвующих в производстве метана, влияет на этот изотопный состав. Это открытие может изменить то, как учёные рассчитывают вклад различных источников окружающей среды в общий бюджет метана на Земле.
«Когда мы интегрируем все источники и поглотители углекислого газа в атмосфере, мы получаем примерно то число, которое ожидаем от прямых измерений в атмосфере. Но для метана существуют большие неопределённости в потоках — в пределах десятков процентов для некоторых из них — что затрудняет нашу способность точно количественно оценить относительную важность и изменения во времени источников», — сказал постдокторант Калифорнийского университета в Беркли Джонатан Гропп, первый автор статьи.
Гропп объединился с молекулярным биологом и геохимиком из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы впервые использовать CRISPR для манипулирования активностью этого ключевого фермента и выявить, как эти метаногены взаимодействуют со своим источником пищи для производства метана.
«Хорошо известно, что уровень метана растёт, но существует много разногласий по поводу основной причины», — сказала соавтор Дипти Наяк, доцент кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли.
«Это исследование — первый случай, когда дисциплины молекулярной биологии и изотопной биогеохимии были объединены, чтобы лучше ограничить то, как биология метаногенов контролирует изотопный состав метана».
Изотопный состав метана
Многие элементы имеют более тяжёлые или лёгкие версии, называемые изотопами, которые встречаются в природе в небольших количествах. У людей около 99% углерода-12 и 1% углерода-13, который немного тяжелее, потому что имеет дополнительный нейтрон в своём ядре. Водород в воде составляет 99,985% водорода-1 и 0,015% дейтерия или водорода-2, который в два раза тяжелее, потому что имеет нейтрон в своём ядре.
Естественное содержание изотопов отражается во всех биологически производимых молекулах, и вариации могут быть использованы для изучения и идентификации различных биологических метаболизмов.
«За последние 70 лет люди показали, что метан, производимый различными организмами и другими процессами, может иметь отличительные изотопные отпечатки пальцев», — сказал геохимик и соавтор Дэниел Столпер, доцент кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли.
«Природный газ из нефтяных месторождений часто выглядит одним образом. Метан, производимый метаногенами в желудках коров, выглядит по-другому. Метан, образующийся в глубоководных отложениях микроорганизмами, имеет другой отпечаток. Метаногены могут потреблять или, если угодно, «есть» различные соединения, включая метанол, ацетат или водород, производить метан и получать энергию в процессе».
«Учёные обычно предполагали, что изотопный отпечаток зависит от того, что едят организмы, что часто варьируется от среды к среде, создавая нашу способность связывать изотопы с происхождением метана», — сказал Столпер.
«Я думаю, что уникальным в этой статье является то, что мы узнали: изотопный состав микробного метана зависит не только от того, что едят метаногены», — сказала Наяк.
«Конечно, то, что вы «едите», имеет значение, но также важны количество этих субстратов и условия окружающей среды, и, что, возможно, более важно, то, как микробы реагируют на эти изменения».
«Микробы реагируют на окружающую среду, манипулируя своей экспрессией генов, и тогда изотопные составы также меняются», — сказал Гропп. «Это должно заставить нас более тщательно подходить к анализу данных из окружающей среды».
Метаногены
Метаногены — микроорганизмы, которые являются археями, стоящими на совершенно отдельной ветви древа жизни от бактерий, — необходимы для избавления мира от мёртвой и разлагающейся материи. Они поглощают простые молекулы — например, молекулярный водород, ацетат или метанол — и производят газообразный метан в качестве отходов.
Этот природный метан можно наблюдать в бледных огоньках, которые можно увидеть ночью вокруг болот и топей, но он также незаметно выделяется при отрыжке коров, поднимается из рисовых полей и естественных водно-болотных угодий и просачивается из свалок. Хотя большая часть метана в природном газе, который мы сжигаем, образовалась в связи с генерацией углеводородов, некоторые отложения были первоначально произведены метаногенами, питающимися захороненным органическим веществом.
Изотопный отпечаток метана, производимого метаногенами, растущими на различных источниках «пищи», был хорошо изучен в лабораторных условиях, но учёные обнаружили, что в условиях реального мира метаногены не всегда производят метан с тем же изотопным отпечатком, который наблюдается в лаборатории.
Например, при выращивании в лаборатории виды метаногенов, которые питаются ацетатом (по сути, уксусом), метанолом (простейшим спиртом) или молекулярным водородом (H₂), производят метан (CH₄) с соотношением изотопов водорода и углерода, отличным от соотношения, наблюдаемого в окружающей среде.
Гропп ранее создал компьютерную модель метаболической сети у метаногенов, чтобы лучше понять, как определяется изотопный состав метана. Когда он получил стипендию для поступления в Калифорнийский университет в Беркли, Столпер и Наяк предложили ему экспериментально проверить свою модель. Лаборатория Столпера специализируется на измерении изотопного состава для изучения истории Земли.
Наяк изучает метаногены и в качестве постдокторанта нашла способ использовать редактирование генов CRISPR в метаногенах. Её группа недавно изменила экспрессию ключевого фермента в метаногенах, который производит метан — метил-кофермент M редуктаза (MCR) — так, чтобы его активность можно было снизить.
Экспериментируя с этими отредактированными с помощью CRISPR микробами — в распространённом метаногене под названием Methanosarcina acetivorans, растущем на ацетате и метаноле, — исследователи посмотрели, как изменился изотопный состав метана, когда активность фермента была снижена, имитируя то, что, как считается, происходит, когда микробы испытывают голод по предпочитаемой ими пище.
Они обнаружили, что, когда MCR находится в низких концентрациях, клетки реагируют, изменяя активность многих других ферментов в клетке, в результате чего их входные и выходные данные накапливаются, а скорость генерации метана снижается настолько, что ферменты начинают работать как в обратном, так и в прямом направлении.
В обратном направлении эти другие ферменты удаляют водород из атомов углерода; в прямом направлении они добавляют водород. Вместе с MCR они в конечном итоге производят метан (CH₄). Каждый прямой и обратный цикл требует, чтобы один из этих ферментов удалил водород из углерода и добавил новый, полученный из воды.
В результате изотопный состав четырёх молекул водорода в метане постепенно начинает отражать состав воды, а не только их источника пищи, который начинается с трёх водородов.
Это отличается от типичных предположений о росте на ацетате и метаноле, которые предполагают отсутствие обмена между водородом, полученным из воды, и водородом из источника пищи.
«Этот изотопный обмен, который мы обнаружили, меняет отпечаток метана, генерируемого метаногенами, потребляющими ацетат и метанол, по сравнению с тем, который обычно предполагается. Учитывая это, возможно, мы недооценили вклад микробов, потребляющих ацетат, и они могут быть даже более доминирующими, чем мы думали», — сказал Гропп.
«Мы предлагаем учитывать клеточный ответ метаногенов на окружающую среду при изучении изотопного состава метана».
Помимо этого исследования, метод CRISPR для настройки производства ферментов у метаногенов может быть использован для манипулирования и изучения изотопных эффектов в других ферментативных сетях в широком смысле, что может помочь исследователям ответить на вопросы о геологии и окружающей среде Земли сегодня и в прошлом.
«Это открывает путь, где современная молекулярная биология сочетается с изотопной геохимией для решения экологических проблем», — сказал Столпер.
«Существует огромное количество изотопных систем, связанных с биологией и биохимией, которые изучаются в окружающей среде. Я надеюсь, что мы сможем начать рассматривать их так, как молекулярные биологи сейчас рассматривают эти проблемы у людей и других организмов — контролируя экспрессию генов и наблюдая за тем, как стабильные изотопы реагируют».
Для Наяка эксперименты также являются большим шагом в открытии того, как изменить метаногены, чтобы остановить производство метана и перенаправить их энергию на производство полезных продуктов вместо разрушительного для окружающей среды газа.
«Уменьшая количество этого фермента, который производит метан, и вводя альтернативные пути, которые клетка может использовать, мы, по сути, можем дать им другой выпускной клапан, если хотите, чтобы они могли направить те электроны, которые в противном случае они поместили бы в углерод для производства метана, во что-то ещё, что было бы более полезным», — сказала она.
Предоставлено Калифорнийским университетом в Беркли.