Gigatoneladas de gases de efecto invernadero están atrapadas bajo el fondo marino, y eso es algo bueno. Alrededor de las costas de los continentes, donde las laderas se hunden en el mar, pequeñas jaulas de hielo atrapan el gas metano, impidiéndole escapar y burbujear hacia la atmósfera.
Aunque rara vez aparecen en las noticias, estas formaciones de jaulas de hielo, conocidas como clatratos de metano, han llamado la atención debido a su potencial para afectar el cambio climático. Durante la perforación en alta mar, el hielo de metano puede atascarse en las tuberías, provocando que se congelen y exploten. Se cree que el derrame de petróleo de Deepwater Horizon de 2010 fue causado por una acumulación de clatratos de metano.
Pero hasta ahora, el proceso biológico detrás de cómo el gas metano permanece estable bajo el mar ha sido casi completamente desconocido. En un estudio innovador, un equipo interdisciplinario de investigadores de Georgia Tech descubrió una clase previamente desconocida de proteínas bacterianas que desempeñan un papel crucial en la formación y estabilidad de los clatratos de metano.
Un equipo dirigido por Jennifer Glass, profesora asociada de la Facultad de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera, y Raquel Lieberman, profesora y catedrática Sepcic-Pfeil de la Facultad de Química y Bioquímica, demostró que estas nuevas proteínas bacterianas suprimen el crecimiento de clatratos de metano con la misma eficacia. como productos químicos comerciales que se utilizan actualmente en la perforación, pero no son tóxicos, son ecológicos y escalables. Su estudio informa la búsqueda de vida en el sistema solar y también podría aumentar la seguridad del transporte de gas natural.
La investigación, publicada en la revista PNAS Nexus, subraya la importancia de la ciencia fundamental en el estudio de los sistemas biológicos naturales de la Tierra y destaca los beneficios de la colaboración entre disciplinas.
“Queríamos entender cómo estas formaciones se mantenían estables bajo el fondo marino y precisamente qué mecanismos contribuían a su estabilidad”, dijo Glass. “Esto es algo que nadie ha hecho antes”.
Tamizando sedimentos
El esfuerzo comenzó con el equipo examinando una muestra de sedimento arcilloso que Glass adquirió del fondo marino frente a la costa de Oregón.
Glass planteó la hipótesis de que el sedimento contendría proteínas que influyen en el crecimiento del clatrato de metano, y que esas proteínas se parecerían a las conocidas proteínas anticongelantes de los peces, que les ayudan a sobrevivir en ambientes fríos.
Pero para confirmar su hipótesis, Glass y su equipo de investigación primero tendrían que identificar candidatos a proteínas entre millones de objetivos potenciales contenidos en el sedimento. Luego necesitarían producir las proteínas en el laboratorio, aunque no se sabía cómo podrían comportarse estas proteínas. Además, nadie había trabajado antes con estas proteínas.
Glass se acercó a Lieberman, cuyo laboratorio estudia la estructura de las proteínas. El primer paso fue utilizar la secuenciación del ADN combinada con la bioinformática para identificar los genes de las proteínas contenidas en el sedimento. Dustin Huard, investigador del laboratorio de Lieberman y primer autor del artículo, preparó proteínas candidatas que potencialmente podrían unirse a los clatratos de metano. Huard utilizó cristalografía de rayos X para determinar la estructura de las proteínas.
Creando condiciones del fondo marino en el laboratorio
Huard pasó las proteínas candidatas a Abigail Johnson, ex doctora. estudiante en el laboratorio de Glass y coautor del artículo, que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Georgia. Para probar las proteínas, Johnson formó clatratos de metano recreando la alta presión y la baja temperatura del fondo marino en el laboratorio. Johnson trabajó con Sheng Dai, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, para construir una cámara de presión única desde cero.
Johnson colocó las proteínas en el recipiente a presión y ajustó el sistema para imitar las condiciones de presión y temperatura necesarias para la formación de clatrato. Al presurizar el recipiente con metano, Johnson obligó a que el metano entrara en la gota, lo que provocó que se formara una estructura de clatrato de metano.
Luego midió la cantidad de gas que consumía el clatrato (un indicador de la rapidez y la cantidad de clatrato que se formaba) y lo hizo en presencia de proteínas y en presencia de ninguna proteína. Johnson descubrió que con las proteínas de unión a clatratos se consumía menos gas y los clatratos se derretían a temperaturas más altas.
Una vez que el equipo validó que las proteínas afectan la formación y estabilidad de los clatratos de metano, utilizaron la estructura cristalina de la proteína de Huard para realizar simulaciones de dinámica molecular con la ayuda de James (JC) Gumbart, profesor de la Facultad de Física. Las simulaciones permitieron al equipo identificar el sitio específico donde la proteína se une al clatrato de metano.
Un sistema sorprendentemente novedoso
El estudio reveló conocimientos inesperados sobre la estructura y función de las proteínas. Inicialmente, los investigadores pensaron que la parte de la proteína que era similar a las proteínas anticongelantes del pescado desempeñaría un papel en la unión del clatrato. Sorprendentemente, esa parte de la proteína no desempeñó ningún papel y un mecanismo completamente diferente dirigió las interacciones.
Descubrieron que las proteínas no se unen al hielo, sino que interactúan con la propia estructura del clatrato, dirigiendo su crecimiento. Específicamente, la parte de la proteína que tenía características similares a las proteínas anticongelantes estaba enterrada en la estructura de la proteína y, en cambio, desempeñaba un papel en la estabilización de la proteína.
Los investigadores descubrieron que las proteínas funcionaron mejor en la modificación del clatrato de metano que cualquiera de las proteínas anticongelantes que se habían probado en el pasado. También funcionaron tan bien, si no mejor, que los inhibidores de clatrato comerciales tóxicos que se utilizan actualmente en las perforaciones que plantean graves amenazas ambientales.
Prevenir la formación de clatratos en los gasoductos es una industria que vale miles de millones de dólares. Si estas proteínas biodegradables pudieran usarse para prevenir desastrosas fugas de gas natural, se reduciría en gran medida el riesgo de daño ambiental.
“Tuvimos mucha suerte de que esto realmente funcionara, porque aunque elegimos estas proteínas por su similitud con las proteínas anticongelantes, son completamente diferentes”, dijo Johnson. “Tienen una función similar en la naturaleza, pero lo hacen a través de un sistema biológico completamente diferente, y creo que eso realmente entusiasma a la gente”.
Es probable que existan clatratos de metano en todo el sistema solar, en el subsuelo de Marte, por ejemplo, y en lunas heladas del sistema solar exterior, como Europa. Los hallazgos del equipo indican que si existen microbios en otros cuerpos planetarios, podrían producir biomoléculas similares para retener agua líquida en canales en el clatrato que podrían sustentar la vida.
“Todavía estamos aprendiendo mucho sobre los sistemas básicos de nuestro planeta”, dijo Huard. “Esa es una de las mejores cosas de Georgia Tech: diferentes comunidades pueden unirse para hacer ciencia realmente interesante e inesperada. Nunca pensé que estaría trabajando en un proyecto de astrobiología, pero aquí estamos y hemos tenido mucho éxito”.
Con información de PNAS Nexus
