Las actividades industriales y agrícolas producen grandes cantidades de metano, un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global. Muchas bacterias también producen metano como subproducto de su metabolismo. Parte de este metano liberado naturalmente proviene del océano, un fenómeno que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo porque no se conocen organismos productores de metano que vivan cerca de la superficie del océano.

Un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha hecho un descubrimiento que podría ayudar a responder a esta "paradoja del metano oceánico". Primero, identificaron la estructura de una enzima que puede producir un compuesto que se sabe que se convierte en metano. Luego, utilizaron esa información para demostrar que esta enzima existe en algunos de los microbios marinos más abundantes. Creen que este compuesto es probablemente la fuente de gas metano que se libera a la atmósfera sobre el océano.

El metano producido por los océanos representa alrededor del 4 por ciento del total que se descarga a la atmósfera, y una mejor comprensión de la procedencia de este metano podría ayudar a los científicos a explicar mejor su papel en el cambio climático, dicen los investigadores.

"Comprender el ciclo global del carbono es realmente importante, especialmente cuando se habla de cambio climático, "dice Catherine Drennan, profesor de química y biología del MIT e investigador del Instituto Médico Howard Hughes. "¿De dónde viene realmente el metano? ¿Cómo se utiliza? Comprender el flujo de la naturaleza es una información importante a tener en cuenta en todas esas discusiones".

Drennan y Wilfred van der Donk, profesor de química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, son los autores principales del artículo, que aparece en la edición en línea del 7 de diciembre de Ciencias . Los autores principales son David Born, estudiante de posgrado en el MIT y la Universidad de Harvard, y Emily Ulrich, estudiante de posgrado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Resolviendo el misterio

Muchas bacterias producen metano como subproducto de su metabolismo, pero la mayoría de estas bacterias viven en ambientes pobres en oxígeno, como las profundidades del océano o el tracto digestivo de los animales, no cerca de la superficie del océano.

Muchos años atrás, van der Donk y su colega de la Universidad de Illinois William Metcalf encontraron una posible pista sobre el misterio del metano oceánico:descubrieron una enzima microbiana que produce un compuesto llamado metilfosfonato, que puede convertirse en metano cuando se separa una molécula de fosfato. Esta enzima se encontró en un microbio llamado Nitrosopumilus maritimus, que vive cerca de la superficie del océano, pero la enzima no se identificó fácilmente en otros microbios oceánicos como cabría esperar.

El equipo de Van der Donk conocía la secuencia genética de la enzima, conocida como metilfosfonato sintasa (MPnS), lo que les permitió buscar otras versiones en los genomas de otros microbios. Sin embargo, cada vez que encuentran una coincidencia potencial, la enzima resultó ser una enzima relacionada llamada hidroxietilfosfonato dioxigenasa (HEPD), que genera un producto que es muy similar al metilfosfonato pero que no se puede escindir para producir metano.

Van der Donk le preguntó a Drennan, un experto en la determinación de estructuras químicas de proteínas, si pudiera intentar revelar la estructura de MPnS, con la esperanza de que les ayude a encontrar más variantes de la enzima en otras bacterias.

Para encontrar la estructura, el equipo del MIT utilizó cristalografía de rayos X, que realizaron en una cámara especial sin oxígeno. Sabían que la enzima requiere oxígeno para catalizar la producción de metilfosfonato, por lo que al eliminar el oxígeno pudieron obtener instantáneas de la enzima cuando se unió a los socios de reacción necesarios, pero antes de que realizara la reacción.

Los investigadores compararon los datos de cristalografía de MPnS con la enzima HEPD relacionada y encontraron una pequeña pero crítica diferencia. En el sitio activo de ambas enzimas (la parte de la proteína que cataliza las reacciones químicas), hay un aminoácido llamado glutamina. En MPnS, esta molécula de glutamina se une al hierro, un cofactor necesario para la producción de metilfosfonato. La glutamina se fija en una orientación de unión al hierro por el voluminoso aminoácido isoleucina, que está directamente debajo de la glutamina en MPnS. Sin embargo, en HEPD, la isoleucina se reemplaza por glicina, y la glutamina se puede reorganizar libremente para que ya no esté unida al hierro.

"Buscábamos diferencias que condujeran a diferentes productos, y esa fue la única diferencia que vimos, "Born dice. Además, los investigadores encontraron que cambiar la glicina en HEPD a isoleucina era suficiente para convertir la enzima en un MPnS.

Una enzima abundante

Al buscar en bases de datos de secuencias genéticas de miles de microbios, los investigadores encontraron cientos de enzimas con la misma configuración estructural observada en su enzima MPnS original. Es más, todos estos se encontraron en microbios que viven en el océano, y uno fue encontrado en una cepa de un microbio oceánico extremadamente abundante conocido como Pelagibacter ubique.

Aún se desconoce qué función cumplen esta enzima y su producto en las bacterias del océano. Se cree que los metilfosfonatos se incorporan en moléculas grasas llamadas fosfonolípidos, que son similares a los fosfolípidos que forman las membranas celulares.

"La función de estos fosfonolípidos no está bien establecida, aunque se sabe que existen desde hace décadas. Esa es una pregunta realmente interesante para hacer "Born dice." Ahora sabemos que se producen en grandes cantidades, especialmente en el océano, pero en realidad no sabemos qué hacen ni cómo benefician al organismo en absoluto ".

Otra pregunta clave es cómo la producción de metano por estos organismos se ve influenciada por las condiciones ambientales en el océano, incluida la temperatura y la contaminación, como la escorrentía de fertilizantes.

"Sabemos que la escisión del metilfosfonato ocurre cuando los microbios carecen de fósforo, pero tenemos que averiguar qué nutrientes están conectados a esto, y ¿cómo se relaciona eso con el pH del océano, y cómo se relaciona con la temperatura del océano, "Drennan dice." Necesitamos toda esa información para poder pensar en lo que estamos haciendo, para que podamos tomar decisiones inteligentes sobre la protección de los océanos ".