Enzim berlimpah di mikroba laut mungkin bertanggung jawab untuk produksi metana laut

Anonim

Kegiatan industri dan pertanian menghasilkan sejumlah besar metana, gas rumah kaca yang berkontribusi terhadap pemanasan global. Banyak bakteri juga menghasilkan metana sebagai produk sampingan dari metabolisme mereka. Beberapa dari metana yang dilepaskan secara alami ini berasal dari lautan, sebuah fenomena yang telah lama membingungkan para ilmuwan karena tidak ada organisme penghasil metana yang hidup di dekat permukaan samudra.

Sebuah tim peneliti dari MIT dan Universitas Illinois di Urbana-Champaign telah membuat penemuan yang dapat membantu menjawab "paradoks metana lautan" ini. Pertama, mereka mengidentifikasi struktur enzim yang dapat menghasilkan senyawa yang diketahui dikonversi menjadi metana. Kemudian, mereka menggunakan informasi itu untuk menunjukkan bahwa enzim ini ada di beberapa mikroba laut yang paling melimpah. Mereka percaya bahwa senyawa ini kemungkinan adalah sumber gas metana yang dilepaskan ke atmosfer di atas lautan.

Metana yang diproduksi oleh laut mewakili sekitar 4 persen dari total yang dibuang ke atmosfer, dan pemahaman yang lebih baik tentang di mana metana ini berasal dapat membantu para ilmuwan bertanggung jawab lebih baik untuk perannya dalam perubahan iklim, kata para peneliti.

"Memahami siklus karbon global sangat penting, terutama ketika berbicara tentang perubahan iklim, " kata Catherine Drennan, seorang profesor kimia dan biologi MIT dan Howard Hughes Medical Institute Investigator. "Darimana metana berasal? Darimana itu digunakan? Memahami fluks alam adalah informasi penting untuk dimiliki dalam semua diskusi itu."

Drennan dan Wilfred van der Donk, seorang profesor kimia di University of Illinois di Urbana-Champaign, adalah penulis senior makalah ini, yang muncul dalam edisi online Science edisi 7 Desember. Penulis utama adalah David Born, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT dan Harvard University, dan Emily Ulrich, seorang mahasiswa pascasarjana di University of Illinois di Urbana-Champaign.

Memecahkan misteri

Banyak bakteri menghasilkan metana sebagai produk sampingan dari metabolisme mereka, tetapi sebagian besar bakteri ini hidup di lingkungan yang miskin oksigen seperti laut dalam atau saluran pencernaan hewan — tidak di dekat permukaan laut.

Beberapa tahun yang lalu, van der Donk dan kolega University of Illinois William Metcalf menemukan petunjuk yang mungkin terhadap misteri metana laut: Mereka menemukan enzim mikroba yang menghasilkan senyawa yang disebut methylphosphonate, yang dapat menjadi metana ketika sebuah molekul fosfat dibelah darinya. Enzim ini ditemukan dalam mikroba yang disebut Nitrosopumilus maritimus, yang hidup di dekat permukaan laut, tetapi enzim itu tidak mudah diidentifikasi di mikroba laut lainnya seperti yang diharapkan.

Tim Van der Donk mengetahui urutan genetik enzim, yang dikenal sebagai methylphosphonate synthase (MPnS), yang memungkinkan mereka untuk mencari versi lain dari genom mikroba lain. Namun, setiap kali mereka menemukan kecocokan potensial, enzim tersebut ternyata merupakan enzim terkait yang disebut hydroxyethylphosphonate dioxygenase (HEPD), yang menghasilkan produk yang sangat mirip dengan methylphosphonate tetapi tidak dapat dibelah untuk menghasilkan metana.

Van der Donk bertanya kepada Drennan, seorang ahli dalam menentukan struktur kimia protein, jika dia bisa mencoba untuk mengungkapkan struktur MPnS, dengan harapan bahwa itu akan membantu mereka menemukan lebih banyak varian enzim pada bakteri lain.

Untuk menemukan strukturnya, tim MIT menggunakan kristalografi sinar-X, yang mereka lakukan di ruang khusus tanpa oksigen. Mereka tahu bahwa enzim memerlukan oksigen untuk mengkatalisis produksi metilfosfonat, sehingga dengan menghilangkan oksigen mereka dapat memperoleh snapshot enzim karena terikat pada pasangan reaksi yang diperlukan tetapi sebelum melakukan reaksi.

Para peneliti membandingkan data kristalografi dari MPnS dengan enzim HEPD terkait dan menemukan satu perbedaan kecil tetapi kritis. Di situs aktif dari kedua enzim (bagian dari protein yang mengkatalisis reaksi kimia), ada asam amino yang disebut glutamin. Dalam MPnS, molekul glutamin ini mengikat besi, kofaktor yang diperlukan untuk produksi methylphosphonate. Glutamin adalah tetap dalam orientasi mengikat besi oleh isoleusin asam amino besar, yang langsung di bawah glutamin di MPnS. Namun, di HEPD, isoleusin digantikan oleh glisin, dan glutamin bebas untuk mengatur ulang sehingga tidak lagi terikat pada zat besi.

"Kami mencari perbedaan yang akan mengarah pada produk yang berbeda, dan itulah satu-satunya perbedaan yang kami lihat, " kata Born. Selanjutnya, para peneliti menemukan bahwa mengubah glisin dalam HEPD menjadi isoleusin sudah cukup untuk mengubah enzim menjadi MPnS.

Enzim yang melimpah

Dengan mencari database urutan genetik dari ribuan mikroba, para peneliti menemukan ratusan enzim dengan konfigurasi struktural yang sama yang terlihat pada enzim MPnS asli mereka. Selanjutnya, semua ini ditemukan pada mikroba yang hidup di lautan, dan satu ditemukan dalam strain mikroba laut yang sangat melimpah yang dikenal sebagai Pelagibacter ubique.

Masih belum diketahui apa fungsi enzim ini dan produknya berfungsi dalam bakteri laut. Metilfosfonat diyakini dimasukkan ke dalam molekul lemak yang disebut fosfonolipid, yang mirip dengan fosfolipid yang membentuk membran sel.

"Fungsi fosfonolipid ini belum terbentuk dengan baik, meskipun mereka sudah dikenal selama beberapa dekade. Itu pertanyaan yang sangat menarik untuk ditanyakan, " kata Born. "Sekarang kita tahu mereka diproduksi dalam jumlah besar, terutama di lautan, tapi kita sebenarnya tidak tahu apa yang mereka lakukan atau bagaimana mereka menguntungkan organisme sama sekali."

Pertanyaan kunci lainnya adalah bagaimana produksi metana oleh organisme ini dipengaruhi oleh kondisi lingkungan di laut, termasuk suhu dan polusi seperti limpasan pupuk.

"Kita tahu bahwa pembelahan methylphosphonate terjadi ketika mikroba kelaparan untuk fosfor, tetapi kita perlu mencari tahu nutrisi apa yang terhubung dengan ini, dan bagaimana itu terhubung ke pH laut, dan bagaimana itu terhubung ke suhu lautan, "Kata Drennan. "Kami membutuhkan semua informasi itu untuk dapat berpikir tentang apa yang kami lakukan, sehingga kami dapat membuat keputusan cerdas tentang melindungi lautan."

menu
menu