Wetenschappers hacken microben om milieubronnen van methaan te identificeren

Een electronenmicroscoop afbeelding van eencellige methanogenen, leden van de archaea tak van de levensboom. Ze zijn alomtegenwoordig in zuurstofloze omgevingen en zetten eenvoudige voedingsmiddelen om in methaan, een krachtig broeikasgas.

Bijna twee derden van alle emissies van atmosferisch methaan, een sterk broeikasgas dat de aarde opwarmt, komt van microben die leven in zuurstofloze omgevingen zoals moerassen, rijstvelden, stortplaatsen en de darmen van koeien.

Het volgen van atmosferisch methaan naar zijn specifieke bronnen en het kwantificeren van hun belang blijft echter een uitdaging. Wetenschappers zijn goed in het traceren van de bronnen van het belangrijkste broeikasgas, kooldioxide, om zich te concentreren op het verminderen van deze emissies. Maar om de oorsprong van methaan te achterhalen, moeten wetenschappers vaak de isotopische samenstelling van de componentatomen van methaan, koolstof en waterstof, meten om als vingerafdruk te dienen voor verschillende milieubronnen.

Een paper, verschenen in het tijdschrift Science, door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, onthult hoe de activiteit van een van de belangrijkste microbiele enzymen die betrokken zijn bij de productie van methaan deze isotopische samenstelling beïnvloedt. Deze ontdekking zou de manier waarop wetenschappers de bijdragen van verschillende milieubronnen aan de totale methaanbalans van de aarde berekenen, kunnen veranderen.

“Wanneer we alle bronnen en putten van kooldioxide in de atmosfeer integreren, krijgen we ongeveer het aantal dat we verwachten van directe metingen in de atmosfeer. Maar voor methaan bestaan er grote onzekerheden in de fluxen – binnen tientallen procenten voor sommige fluxen – die onze mogelijkheid om de relatieve belangrijkheid en veranderingen in de tijd van de bronnen precies te kwantificeren, ondermijnen,” zei UC Berkeley postdoc Jonathan Gropp, eerste auteur van het artikel.

“Om de werkelijke bronnen van methaan te kwantificeren, moet je echt begrijpen welke isotopische processen worden gebruikt om deze fluxen te beperken.”

Gropp werkte samen met een moleculair bioloog en een geochemicus van UC Berkeley om voor het eerst CRISPR in te zetten om de activiteit van dit belangrijke enzym te manipuleren en te onthullen hoe deze methanogenen interageren met hun voedselvoorziening om methaan te produceren.

“Het is algemeen bekend dat de methaan niveaus stijgen, maar er is veel onenigheid over de onderliggende oorzaak,” zei medeauteur Dipti Nayak, assistent-professor moleculaire en cellulaire biologie aan UC Berkeley.

“Deze studie is de eerste keer dat de disciplines van de moleculaire biologie en isotopen biogeochemie zijn samengevoegd om betere beperkingen te bieden op hoe de biologie van methanogenen de isotopische samenstelling van methaan beheert.”

Veel elementen hebben zwaardere of lichtere versies, zogenaamde isotopen, die in kleine hoeveelheden in de natuur worden aangetroffen. Mensen bestaan voor ongeveer 99% uit koolstof-12 en 1% uit koolstof-13, dat iets zwaarder is omdat het een extra neutron in zijn nucleus heeft. Het waterstof in water is voor 99,985% waterstof-1 en voor 0,015% deuterium of waterstof-2, dat twee keer zo zwaar is omdat het een neutron in zijn nucleus heeft. De natuurlijke overvloed van isotopen wordt weerspiegeld in alle biologisch geproduceerde moleculen en variaties kunnen worden gebruikt om verschillende biologische metabolismen te bestuderen en te vingerafdrukken.

“In de afgelopen 70 jaar hebben mensen aangetoond dat methaan geproduceerd door verschillende organismen en andere processen onderscheidende isotopische vingerafdrukken kan hebben,” zei geochemicus en medeauteur Daniel Stolper, geassocieerd professor aarde- en planetenwetenschappen aan UC Berkeley.

“Natuurlijk gas uit olieafzettingen ziet er vaak op een bepaalde manier uit. Methaan dat door de methanogenen in de darmen van koeien wordt geproduceerd, ziet er weer anders uit. Methaan dat in diepe zeesedimenten door micro-organismen wordt gemaakt, heeft een andere vingerafdruk. Methanogenen kunnen een verscheidenheid aan verbindingen, waaronder methanol, acetaat of waterstof, consumeren of ‘eten’, maken methaan en genereren energie uit het proces.”

“Wetenschappers hebben vaak aangenomen dat de isotopische vingerafdruk afhankelijk is van wat de organismen eten, wat vaak varieert van omgeving tot omgeving, wat onze mogelijkheid om isotopen aan methaan oorsprongen te koppelen, beïnvloedt.”

“Ik denk dat het unieke aan dit artikel is dat we hebben geleerd dat de isotopische samenstelling van microbieel methaan niet alleen gebaseerd is op wat methanogenen eten,” zei Nayak. “Wat je ‘eet’ is natuurlijk belangrijk, maar de hoeveelheid van deze substraten en de omgevingsomstandigheden zijn ook van belang, en misschien nog belangrijker, hoe microben op die veranderingen reageren.”

“Microben reageren op de omgeving door hun genexpressie te manipuleren, en dan veranderen ook de isotopische samenstellingen,” zei Gropp. “Dit zou ons moeten aanzetten tot zorgvuldiger nadenken wanneer we gegevens uit de omgeving analyseren.”

Azijn- en alcoholetende microben

Methanogenen – micro-organismen die archaea zijn, die zich op een volledig aparte tak van de levensboom bevinden dan bacteriën – zijn essentieel voor het opruimen van de wereld van dood en verrot materiaal. Ze nemen eenvoudige moleculen – moleculair waterstof, acetaat of methanol, bijvoorbeeld – op die door andere organismen worden uitgescheiden en produceren methaangas als afval.

Dit natuurlijke methaan kan worden waargenomen in de pale Will-o’-the-wisps die ’s nachts rond moerassen en moerassen te zien zijn, maar het wordt ook onzichtbaar vrijgegeven in koeienboeren, bubbelt op uit rijstvelden en natuurlijke moerassen en lekt uit stortplaatsen. Terwijl het meeste van het methaan in het aardgas dat we verbranden, is gevormd in verband met de generatie van koolwaterstoffen, zijn sommige afzettingen oorspronkelijk geproduceerd door methanogenen die begraven organisch materiaal aten.

De isotopische vingerafdruk van methaan geproduceerd door methanogenen die op verschillende “voedsel” bronnen groeien, is goed vastgesteld in laboratoriumstudies, maar wetenschappers hebben ontdekt dat in de complexiteit van de echte wereld, methanogenen niet altijd methaan produceren met dezelfde isotopische vingerafdruk als gezien in het laboratorium.

Bijvoorbeeld, wanneer ze in het laboratorium worden gekweekt, produceren soorten methanogenen die acetaat (in wezen azijn), methanol (de eenvoudigste alcohol) of moleculair waterstof (H2) eten, methaan, CH4, met een verhouding van waterstof- en koolstofisotopen die verschilt van de verhoudingen die in de omgeving worden waargenomen.

Gropp had eerder een computer model gemaakt van het metabolische netwerk in methanogenen om beter te begrijpen hoe de isotopesamenstelling van methaan wordt bepaald.

Toen hij een beurs kreeg om naar UC Berkeley te komen, stelden Stolper en Nayak voor dat hij zijn model experimenteel zou testen. Stolpers laboratorium is gespecialiseerd in het meten van isotopische samenstellingen om de geschiedenis van de aarde te verkennen.

Nayak bestudeert methanogenen en ontdekte als postdoc een manier om CRISPR-genbewerking in methanogenen te gebruiken. Haar groep heeft recent de expressie van het sleutel enzym in methanogenen dat methaan produceert – methyl-coenzym M-reductase (MCR) – veranderd, zodat de activiteit kan worden verlaagd. Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties katalyseren.

Door te experimenteren met deze CRISPR-bewerkte microben – in een veelvoorkomende methanogeen genaamd Methanosarcina acetivorans die groeit op acetaat en methanol – keken de onderzoekers naar hoe de isotopische samenstelling van methaan veranderde wanneer de enzymactiviteit werd verlaagd, wat nabootst wat gedacht wordt dat gebeurt wanneer de microben honger hebben naar hun voorkeursvoedsel.

Ze ontdekten dat wanneer MCR in lage concentraties aanwezig is, cellen reageren door de activiteit van veel andere enzymen in de cel te veranderen, waardoor hun invoer en uitvoer zich ophopen en de snelheid van methaanproductie zo veel vertraagt dat enzymen beginnen zowel achteruit als vooruit te werken.

Achteruit verwijderen deze andere enzymen een waterstofatoom van koolstofatomen; vooruit voegen ze een waterstofatoom toe. Samen met MCR produceren ze uiteindelijk methaan (CH4). Elke vooruit- en achteruitcyclus vereist dat een van deze enzymen een waterstof van de koolstof aftrekt en een nieuwe toevoegt die uiteindelijk afkomstig is van water.

Als gevolg hiervan komt de isotopische samenstelling van de vier waterstofmoleculen van methaan geleidelijk overeen met die van het water, en niet alleen met hun voedselbron, die begint met drie waterstofatomen.

Dit is anders dan de typische aannames voor groei op acetaat en methanol die ervan uitgaan dat er geen uitwisseling is tussen waterstof afkomstig uit water en dat van de voedselbron.

“Deze isotopenuitwisseling die we hebben gevonden verandert de vingerafdruk van methaan geproduceerd door acetaat en methanol consumerende methanogenen versus dat wat doorgaans wordt aangenomen. Gezien dit kan het zijn dat we de bijdrage van de acetaat-consumerende microben hebben onderschat, en ze zouden zelfs dominanter kunnen zijn dan we dachten,” zei Gropp.

“We stellen voor dat we tenminste de cellulaire reactie van methanogenen op hun omgeving in overweging moeten nemen bij het bestuderen van de isotopische samenstelling van methaan.”

Buiten deze studie kan de CRISPR-techniek voor het afstemmen van de productie van enzymen in methanogenen worden gebruikt om isotopeneffecten in andere enzymnetwerken breder te manipuleren en bestuderen, wat onderzoekers zou kunnen helpen vragen over geobiologie en het milieu van de aarde vandaag en in het verleden te beantwoorden.

“Dit opent een pad waar moderne moleculaire biologie samenkomt met isotopen-geochemie om milieuproblemen aan te pakken,” zei Stolper.

“Er zijn een enorm aantal isotopische systemen die verband houden met biologie en biochemie die in het milieu worden bestudeerd. Ik hoop dat we ze kunnen gaan bekijken op de manier waarop moleculaire biologen nu naar deze problemen bij mensen en andere organismen kijken – door genexpressie te controleren en te kijken naar hoe de stabiele isotopen reageren.”

Voor Nayak zijn de experimenten ook een grote stap in de ontdekking van hoe methanogenen kunnen worden veranderd om de productie van methaan te onderbreken en hun energie om te leiden naar het produceren van nuttige producten in plaats van een milieuschadelijk gas.

“Door de hoeveelheid van dit enzym dat methaan produceert te verminderen en door alternatieve paden in te voeren die de cel kan gebruiken, kunnen we ze in wezen een andere ontlastklep geven, als je wilt, om die elektronen, die ze anders in koolstof zouden stoppen om methaan te maken, in iets anders te stoppen dat nuttiger zou zijn,” zei ze.