Forskerholdet udgiver banebrydende metansynteseopdagelse

Et tværfagligt team af forskere fra Montana State University's College of Agriculture og College of Letters and Science har for nylig offentliggjort forskning, der kaster nyt lys på et hidtil ukendt element i kulstofkredsløbet, takket være data indsamlet fra Yellowstone National Park over mere end et årti.

Tim McDermott, professor i MSU's afdeling for jordressourcer og miljøvidenskab, begyndte at studere mikrobiologien i Yellowstone Lake i 2007. Mens de indsamlede data for at analysere søens kemi og interaktionen mellem forskellige mikrober i søen med parkens underliggende termiske funktioner, McDermott lagde mærke til, at noget virkede slukket.

"Vi stødte på nogle søvandskemikalier, der ikke gav mening, "sagde McDermott." Vi så meget metan på steder, vi ikke havde forventet, og spekulerede på, 'hvad sker der her?'"

Denne uoverensstemmelse illustrerede det, der er blevet kaldt "metanparadokset". Årevis, videnskabsmænd har forstået, at når mikroorganismer producerer metan, de gør det anaerobt, hvilket betyder, at de ikke bruger ilt. Men i overfladevandet i søen, hvor holdet så metan, ingen af ​​disse organismer blev fundet.

Metan er en naturligt forekommende gas, der består af kulstof- og brintatomer. Det er et biprodukt af en række biologiske processer, selvom menneskelige aktiviteter som minedrift af kul og raffinering af naturgas også producerer metan. Det er en drivhusgas, der vides at være meget mere potent, når den fanger varme i atmosfæren end kuldioxid, Derfor er mange forskere interesserede i at identificere, hvor i biosfæren den er skabt, og hvor den går hen.

Så begyndte et årelangt samarbejde med John Dore, også af afdelingen for jordressourcer og miljøvidenskab; Brian Bothner og Roland Hatzenpichler fra Institut for Kemi og Biokemi; og Qian Wang, en adjunkt forsker ved Institut for Mikrobiologi og Cellebiologi. Undersøgelsen er genstand for et nyt papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Science med titlen "Aerob bakteriel metansyntese."

Wang ledede arbejdet ved Yellowstone Lake i fem somre med dataindsamling og analyse.

"I begyndelsen, vi vidste ikke, hvad der foregik, " sagde hun. "Men da vi lavede DNA-ekstraktion fra søvandet, det viser sig, at vi ikke kunne finde de anaerobe organismer, der normalt er ansvarlige for tilstedeværelsen af ​​metan. I stedet, vi opdagede, at aerobe bakterier var involveret, isolering af en bakterie kaldet Acidovorax, som så gav os mulighed for at begynde at forstå denne proces."

Bothner laboratoriegruppen brugte analytisk udstyr til at identificere tilstedeværelsen af ​​methylamin og glycin betain i søvandet, biokemikalier antog teamet at være nøglen i metanproduktionen. For at teste teorien, Wang indsnævrede, hvilket gen Acidovorax-bakterierne havde brug for for at omdanne methylamin eller glycinbetain til metan.

"Vi kan nedbryde dette til en grundlæggende opdagelse om methylaminomdannelse til metan under aerobe forhold, " sagde McDermott. "Videnskabeligt, det var ikke meningen, at dette skulle ske baseret på al den viden, vi havde. Så, vi gennemgik en elimineringsproces for at identificere, hvordan og hvorfor dette skete, og det er endnu et eksempel på fundamentale opdagelser fra Yellowstone-forskning."

Gennem en række mikrobielle eksperimenter og omfattende analyser af det bredere biologiske samfund, der er til stede i søprøverne, Wang identificerede et kendt gen, der koder for aspartataminotransferase, eller AAT, der så ud til at katalysere metansyntesen.

Det næste skridt var at se, om AAT-enzymet selv var i stand til at katalysere omdannelsen af ​​methylamin til metan. At gøre det, Wang isolerede genet, overførte det til E. coli, som almindeligvis anvendes af mikrobiologer og biokemikere på grund af dets evne til at udtrykke fremmede gener; McDermott sammenlignede det med at indsætte et kassettebånd i en afspiller.

En almindelig E. coli-celle, forklarede Wang, kan ikke omdanne methylamin til metan. Men når den er forsynet med AAT -genet, det kunne.

"Det er sjældent i disse dage at støde på noget, der ikke kan forklares med vores nuværende forståelse af biokemi, "sagde Bothner." Det har gjort dette til et interessant og udfordrende projekt at arbejde med. "

Opdagelsens størrelse kan ikke overvurderes, sagde Bothner. Det faktum, at aerob metansyntese overhovedet kan ske, er et seismisk skift inden for biogeokemi. Da metan er en meget kraftigere drivhusgas end kuldioxid, forskere er interesserede i at identificere, hvor i biosfæren den er skabt, og hvor den går hen. Dette projekt, han sagde, skaber et springbræt for omfattende yderligere forskning i Yellowstone National Park og videre.

"Dette er en fundamentalt anderledes proces end anaerob metansyntese, " sagde McDermott. "I en økologisk forstand, det er logisk at tro, at dette sker i hele biosfæren, ikke kun i Yellowstone Lake. Det er tænkeligt at tro, at det endda forekommer på tværs af verdenshavene og i hele verden."