Ερευνητές του Northwestern University εξέτασαν τους μηχανισμούς που επιτρέπουν στα μεθανοτρόφα βακτήρια να καταναλώνουν 30 εκατομμύρια μετρικούς τόνους μεθανίου ετησίως αλλά και τη φυσική τους ικανότητα να μετατρέπουν το αέριο του θερμοκηπίου σε χρησιμοποιήσιμο καύσιμο. Στόχος τους είναι να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για την ανάπτυξη τεχνητών βιολογικών καταλυτών που μετατρέπουν το αέριο μεθάνιο σε μεθανόλη.
Το μεθάνιο (CH4) είναι 25 φορές πιο ισχυρό ως αέριο του θερμοκηπίου από το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και είναι ένα σημαντικό προϊόν της εξόρυξης άνθρακα και της εξόρυξης πετρελαίου. Επί του παρόντος, τα ανθρακωρυχεία απελευθερώνουν 52,3 εκατομμύρια τόνους μεθανίου ετησίως, ενώ τα κοιτάσματα πετρελαίου 39 εκατ. τόνους ετησίως αντίστοιχα. Το σύνολο των εξορυκτικών εργασιών απελευθερώνουν το ισοδύναμο 4,32 δισ. τόνων CO2 στην ατμόσφαιρα κάθε χρόνο.
Σε επιστημονική εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science, οι ερευνητές του Northwestern University εξηγούν ότι έχουν κάνει το πρώτο βήμα για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος εστιάζοντας στο ένζυμο που ονομάζεται particulate methane monooxygenase (pMMO), το οποίο χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να καταλύσουν την αντίδραση μετατροπής του μεθανίου. Η ουσία, ωστόσο, είναι μια ιδιαίτερα δύσκολη να μελετηθεί πρωτεΐνη, επειδή είναι ενσωματωμένη στην κυτταρική μεμβράνη των βακτηρίων.
Συνήθως, όταν οι ερευνητές μελετούν αυτά τα μεθανοτρόφα βακτήρια, χρησιμοποιούν μια έντονη χημική διαδικασία κατά την οποία οι πρωτεΐνες αποσπώνται από τις κυτταρικές μεμβράνες χρησιμοποιώντας ένα διάλυμα απορρυπαντικού. Ενώ αυτή η διαδικασία απομονώνει αποτελεσματικά το ένζυμο, καταστρέφει επίσης όλη την ενζυμική δραστηριότητα και περιορίζει το εύρος των πληροφοριών που μπορούν να συγκεντρώσουν οι ερευνητές.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές επανατοποθετούν το ένζυμο σε μια μεμβράνη που μοιάζει με το φυσικό περιβάλλον του. Χρησιμοποίησαν λιπίδια από τα βακτήρια για να σχηματίσουν μια μεμβράνη μέσα σε ένα προστατευτικό σωματίδιο που ονομάζεται νανοδίσκος και στη συνέχεια ενσωμάτωσαν το ένζυμο σε αυτή τη μεμβράνη.
«Δημιουργώντας εκ νέου το φυσικό περιβάλλον του ενζύμου, μπορέσαμε να αποκαταστήσουμε τη δραστηριότητα του ενζύμου. Στη συνέχεια, μπορέσαμε να χρησιμοποιήσουμε εξειδικευμένες τεχνικές για να προσδιορίσουμε σε ατομικό επίπεδο τον τρόπο που η λιπιδική στιβάδα αποκατέστησε τη δραστηριότητα του ενζύμου. Με αυτόν τον τρόπο, προσδιορίσαμε το σημείο εντός του ενζύμου όπου πιθανότατα συμβαίνει η οξείδωση του μεθανίου», δήλωσε ο Christopher Koo, συγγραφέας της δημοσίευσης.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν cryo-electron microscopy, η οποία τους επέτρεψε να οπτικοποιήσουν την ατομική δομή του ενεργού ενζύμου σε υψηλή ανάλυση για πρώτη φορά. «Ως συνέπεια της πρόσφατης «επανάστασης στην ανάλυση» της τεχνικής cryo-electron microscopy, μπορέσαμε να δούμε τη ατομική δομή του ενζύμου με μεγάλη λεπτομέρεια. Αυτό που είδαμε άλλαξε εντελώς τον τρόπο που σκεφτόμασταν για την ενεργή θέση του ενζύμου», δήλωσε η ερευνήτρια Amy Rosenzweig.
Η Rosenzweig είπε ότι οι μικροδομές που προκύπτουν μέσω της cryo-electron microscopy παρέχουν ένα νέο σημείο εκκίνησης για να απαντηθούν ικανοποιητικά τα ερωτήματα που συνεχίζουν να συσσωρεύονται. Πώς ταξιδεύει το μεθάνιο στη δραστική θέση του ενζύμου; Ή μήπως η μεθανόλη ταξιδεύει έξω από το ένζυμο; Πώς γίνεται η χημική αντίδραση μετατροπής; Προκειμένου να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα, το επόμενο βήμα της ερευνητικής ομάδας είναι να μελετήσει το ένζυμο απευθείας μέσα στο βακτηριακό κύτταρο χρησιμοποιώντας μια τεχνική απεικόνισης πρώτης γραμμής που ονομάζεται cryo-electron τομογραφία. Εάν είναι επιτυχής, θα μπορούν να δουν ακριβώς πώς είναι διατεταγμένο το ένζυμο στην κυτταρική μεμβράνη, να προσδιορίσουν πώς λειτουργεί στο πραγματικά φυσικό περιβάλλον του και να μάθουν εάν άλλες πρωτεΐνες γύρω από το ένζυμο αλληλεπιδρούν με αυτό.
Αυτές οι ανακαλύψεις θα παρείχαν έναν βασικό κρίκο που λείπει στους ερευνητές. «Αν θέλετε να βελτιστοποιήσετε το ένζυμο έτσι ώστε να το χρησιμοποιήσετε σε μονοπάτια βιο-παραγωγής ή να καταναλώνετε ρύπους εκτός από το μεθάνιο, τότε πρέπει να ξέρουμε πώς μοιάζει στο φυσικό του περιβάλλον και πού συνδέεται το μεθάνιο. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε βακτήρια με ένα επεξεργασμένο ένζυμο για τη συλλογή μεθανίου από διάφορες τοποθεσίες ή για τον καθαρισμό πετρελαιοκηλίδων», καταλήγει η Rosenzweig.
Με πληροφορίες από mining.com
