Aproximadamente dos tercios de todas las emisiones de metano atmosférico, un gas de efecto invernadero altamente potente que calienta la Tierra del Planeta, proviene de microbios que viven en entornos sin oxígeno como humedales, campos de arroz, vertederos y las tripas de las vacas.
Sin embargo, el seguimiento del metano atmosférico a sus fuentes específicas y cuantificando su importancia sigue siendo un desafío. Los científicos son bastante buenos para rastrear las fuentes de los principales gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono, para centrarse en mitigar estas emisiones. Pero para rastrear los orígenes de metano, los científicos a menudo tienen que medir la composición isotópica de los átomos de componentes de metano, carbono e hidrógeno, para usar como huella digital de varias fuentes ambientales.
Un nuevo artículo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, revela cómo la actividad de una de las principales enzimas microbianas involucradas en la producción de metano afecta esta composición de isótopos. El hallazgo podría cambiar la forma en que los científicos calculan las contribuciones de diferentes fuentes ambientales al presupuesto total de metano de la Tierra.
«Cuando integramos todas las fuentes y fregaderos de dióxido de carbono en la atmósfera, obtenemos el número que esperamos de la medición directa en la atmósfera. Pero para el metano, existen grandes incertidumbres en los flujos, dentro de las decenas de percents para algunos de los flujos de los flujos que desafían nuestra capacidad de la capacidad de la importancia precisa y los cambios en el tiempo de las fuentes», dijo el tiempo de los flujos. Gropp, quien es el primer autor del artículo. «Para cuantificar las fuentes reales de metano, debe comprender realmente los procesos isotópicos que se utilizan para restringir estos flujos».
Gropp se asoció con un biólogo molecular y un geoquímico en UC Berkeley para, por primera vez, emplear CRISPR para manipular la actividad de esta enzima clave para revelar cómo estos metanógenos interactúan con su suministro de alimentos para producir metano.
«Se entiende bien que los niveles de metano están aumentando, pero hay mucho desacuerdo sobre la causa subyacente», dijo el coautor Dipti Nayak, profesor asistente de biología molecular y celular de UC Berkeley. «Este estudio es la primera vez que las disciplinas de la biología molecular y la biogeoquímica de los isótopos se han fusionado para proporcionar mejores restricciones sobre cómo la biología de los metanógenos controla la composición isotópica del metano».
Muchos elementos tienen versiones más pesadas o más ligeras, llamadas isótopos, que se encuentran en pequeñas proporciones en la naturaleza. Los humanos son aproximadamente 99% de carbono-12 y 1% de carbono-13, lo cual es ligeramente más pesado porque tiene un neutrón extra en su núcleo. El hidrógeno en el agua es 99.985% de hidrógeno-1 y 0.015% deuterio o hidrógeno-2, que es el doble de pesado porque tiene un neutrón en su núcleo.
Las abundancias naturales de los isótopos se reflejan en todas las moléculas producidas biológicamente y las variaciones pueden usarse para estudiar y hacer huellas digitales varios metabolismos biológicos.
«En los últimos 70 años, las personas han demostrado que el metano producido por diferentes organismos y otros procesos puede tener huellas dactilares isotópicas distintivas», dijo el geoquímico y coautor Daniel Stolper, profesor asociado de tierra y ciencia planetaria de UC Berkeley. «El gas natural de los depósitos de petróleo a menudo se ve en una forma. El metano hecho por los metanógenos dentro de las tripas de vaca se ve de otra manera. El metano hecho en sedimentos de mar en profundidad por microorganismos tiene una huella digital diferente. Los metanógenos pueden consumir o ‘comer’, si lo desea, una variedad de compuestos, incluidos metanol, acetato o hidrógeno; hacen metano; y generan energía a partir del proceso. Lo que los organismos están comiendo, que a menudo varía del medio ambiente al entorno, creando nuestra capacidad de vincular los isótopos con los orígenes de metano «.
«Creo que lo único del documento es que aprendimos que la composición isotópica del metano microbiano no se basa solo en lo que comen los metanógenos», dijo Nayak. «Lo que ‘come’ es importante, por supuesto, pero la cantidad de estos sustratos y las condiciones ambientales también son importantes, y quizás lo más importante, cómo reaccionan los microbios a esos cambios».
«Los microbios responden al entorno manipulando su expresión génica, y luego las composiciones isotópicas también cambian», dijo Gropp. «Esto debería hacernos pensar con más cuidado cuando analizamos los datos del medio ambiente».
El documento aparecerá el 14 de agosto en el diario Ciencia.
Microbios de vinagre y alcohol
Los metanógenos, microorganismos que son arqueas, que se encuentran en una rama completamente separada del árbol de la vida de las bacterias, son esenciales para librar el mundo de la materia muerta y en descomposición. Ingelan moléculas simples (hidrógeno molecular, acetato o metanol, por ejemplo) excretado por otros organismos y producen gas metano como residuos. Este metano natural se puede observar en el pálido voluntad de las vajillas que se ve alrededor de pantanos y pantanos por la noche, pero también se libera invisiblemente en eructos de vacas, burbujas de arrozales y humedales naturales y fugas de vertederos. Si bien la mayor parte del metano en el gas natural que quemamos se formó en asociación con la generación de hidrocarburos, algunos depósitos fueron producidos originalmente por metanógenos que comían materia orgánica enterrada.
La huella digital isotópica de metano producida por metanógenos que crecen en diferentes fuentes de «alimentos» se ha establecido bien en los estudios de laboratorio, pero los científicos han encontrado que en la complejidad del mundo real, los metanógenos no siempre producen metano con la misma huella digital isotópica que se ve en el laboratorio. Por ejemplo, cuando se cultivan en el laboratorio, especies de metanógenos que comen acetato (esencialmente vinagre), metanol (el alcohol más simple) o hidrógeno molecular (H2) producir metano, ch4con una relación de isótopos de hidrógeno y carbono diferentes de las relaciones observadas en el medio ambiente.
Gropp había creado anteriormente un modelo informático de la red metabólica en metanógenos para comprender mejor cómo se determina la composición de isótopos de metano. Cuando consiguió una comunión para venir a UC Berkeley, Stolper y Nayak propusieron que probara experimentalmente su modelo. El laboratorio de Stolper se especializa en medir las composiciones de isótopos para explorar la historia de la Tierra. Nayak estudia metanógenos y, como becario postdoctoral, encontraron una forma de utilizar la edición del gen CRISPR en metanógenos. Su grupo recientemente alteró la expresión de la enzima clave en metanógenos que produce la metano-metil-coenzima M reductasa (MCR)-para que su actividad pueda atravesarse. Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones químicas.
Experimentar con estos microbios editados por CRISPR, en un metanógeno común llamado Metanosarcina acetivorans Al crecer con acetato y metanol: los investigadores analizaron cómo la composición isotópica de metano cambió cuando se redujo la actividad enzimática, imitando lo que se cree que sucede cuando los microbios están hambrientos para sus alimentos preferidos.
Descubrieron que cuando el MCR está a bajas concentraciones, las células responden alterando la actividad de muchas otras enzimas en la célula, lo que hace que sus entradas y salidas se acumulen y la velocidad de generación de metano se desacelere tanto que las enzimas comienzan a correr hacia atrás y hacia adelante. En reversa, estas otras enzimas eliminan un hidrógeno de los átomos de carbono; Corriendo hacia adelante, agregan un hidrógeno. Junto con MCR, finalmente producen metano (CH4). Cada ciclo avanzado e inverso requiere que una de estas enzimas extraiga un hidrógeno del carbono y agregue uno nuevo finalmente obtenido del agua. Como resultado, la composición isotópica de las cuatro moléculas de hidrógeno de metano llega gradualmente a reflejar la del agua, y no solo su fuente de alimento, que comienza con tres hidrógenos.
Esto es diferente de los supuestos típicos de crecimiento en acetato y metanol que no suponen ningún intercambio entre hidrógeno derivado del agua y el de la fuente de alimento.
«Este intercambio de isótopos que encontramos cambia la huella digital de metano generada por metanógenos que consumen acetato y metanol frente a eso generalmente asumido. Dado esto, podría ser que hemos subestimado la contribución de los microbios que consumen acetato, y podrían ser aún más dominantes de lo que hemos pensado», dijo Gropp. «Estamos proponiendo que al menos debamos considerar la respuesta celular de los metanógenos a su entorno al estudiar la composición isotópica de metano».
Más allá de este estudio, la técnica CRISPR para ajustar la producción de enzimas en metanógenos podría usarse para manipular y estudiar los efectos de isótopos en otras redes enzimáticas ampliamente, lo que podría ayudar a los investigadores a responder preguntas sobre la geobiología y el entorno de la Tierra hoy y en el pasado.
«Esto abre una vía donde la biología molecular moderna está casada con geoquímica de isótopos para responder problemas ambientales», dijo Stolper. «Hay una enorme cantidad de sistemas isotópicos asociados con biología y bioquímica que se estudian en el medio ambiente; espero que podamos comenzar a mirarlos en la forma en que los biólogos moleculares ahora están analizando estos problemas en personas y otros organismos, controlando la expresión génica y observar cómo responden los isótopos estables».
Para Nayak, los experimentos también son un gran paso para descubrir cómo alterar los metanógenos para descarrilar la producción de metano y redirigir su energía a la producción de productos útiles en lugar de un gas ambientalmente destructivo.
«Al reducir la cantidad de esta enzima que fabrica metano y colocando vías alternativas que la célula puede usar, esencialmente podemos darles otra válvula de liberación, si lo desea, para colocar esos electrones, que de otro modo estaban poniendo carbono para hacer metano, en otra cosa que sería más útil», dijo.
Otros coautores del periódico son Markus Bill of Lawrence Berkeley Laboratory National y ex postdoc de UC Berkeley Rebekah Stein, y Max Lloyd, quien es profesor en la Universidad Penn State. Gropp fue apoyado por una comunión de la Organización Europea de Biología Molecular. Nayak y Stolper fueron financiados, en parte, por Alfred B. Sloan Research Fellowships. Nayak también es investigador del Biohub de Chan-Zuckerberg.
