Muchas bacterias también producen metano como un subproducto de su metabolismo. Parte de este metano liberado naturalmente proviene del océano, un fenómeno que ha desconcertado a los científicos debido a que no se conocen organismos productores de metano que vivan cerca de la superficie del océano.
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 un subproducto de su metabolismo. Parte de este metano liberado naturalmente proviene del océano, un fenómeno que ha desconcertado a los científicos debido a que no se conocen organismos productores de metano que vivan cerca de la superficie del océano.
Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en Estados Unidos, 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, usaron esa información para mostrar que esta enzima existe en algunos de los microbios marinos más abundantes.
Creen que este compuesto es probablemente la fuente de liberación de gas metano en la atmósfera sobre el océano. El metano producido en el océano representa alrededor del 4 por ciento del total que se descarga en la atmósfera y entender mejor de dónde proviene 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», afirma Catherine Drennan, profesora de Química y Biología del MIT e investigadora del Instituto Médico Howard Hughes. «¿De dónde viene realmente el metano? ¿Cómo se usa? Comprender el flujo de la naturaleza es información importante que se debe tener en todos esos debates», añade esta experta, cuyo trabajo se publica en la edición digital de este jueves de ‘Science’.
Muchas bacterias producen metano como un subproducto de su metabolismo, pero la mayoría vive en ambientes pobres en oxígeno como el océano profundo o el tracto digestivo de los animales, no cerca de la superficie del océano. Hace varios años, van der Donk y William Metcalf, colega de la Universidad de Illinois, en Estados Unidos, 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 una molécula de fosfato se escinde.
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 uno hubiera esperado. El equipo de Van der Donk conocía la secuencia genética de la enzima, llamada metilfosfonato sintasa (MPnS), que les permitió buscar otras versiones de la misma en los genomas de otros microbios; pero cada vez que encontraron una potencial coincidencia, la enzima resultó ser una enzima relacionada llamada hidroxietilfosfonato dioxigenasa (HEPD), que genera un producto que es muy similar al metilfosfonato, pero que no puede escindirse para producir metano.
Van der Donk le preguntó a Drennan, un experto en determinar las estructuras químicas de las proteínas, si podía tratar de revelar la estructura del MPnS, con la esperanza de que les ayudaría a encontrar más variantes de la enzima en otras bacterias.
Para encontrar la estructura, el equipo del MIT usó 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, ya que se unía a los compañeros de reacción necesarios, pero antes de que realizara la reacción.
UNA ENZIMA ABUNDANTE
Los científicos compararon los datos de cristalografía de MPnS con la enzima HEPD relacionada y hallaron una diferencia pequeña pero crítica. 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 es reemplazada por glicina y la glutamina puede reordenarse para que ya no esté unida al hierro.
«Estábamos buscando diferencias que llevaran a distintos productos y ésa fue la única diferencia que vimos», dice Born. Además, los investigadores encontraron que el cambio de la glicina en HEPD a isoleucina era suficiente para convertir la enzima en un MPnS.
Al buscar bases de datos de secuencias genéticas de miles de microbios, la investigación encontró cientos de enzimas con la misma configuración estructural vista en su enzima MPnS original. Además, todas ellas se encontraron en microbios que viven en el océano y una en una cepa de un microbio oceánico extremadamente abundante conocido como ‘Pelagibacter ubique’.
Todavía se desconoce qué función cumple esta enzima y su producto en las bacterias oceánicas. Se cree que los metilfosfonatos se incorporan a 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. Es pregunta muy interesante –dice Born–. Ahora, sabemos que están siendo producidos en grandes cantidades, especialmente en el océano, pero en realidad no sabemos qué hacen ni cómo benefician al organismo en absoluto».
Otra cuestión clave es cómo la producción de metano por parte de estos organismos está 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 son privados de fósforo, pero tenemos que descubrir qué nutrientes están conectados a esto, cómo está vinculado al pH del océano y cómo está relacionado con la temperatura del océano –dice Drennan–. Necesitamos toda esa información para poder pensar en lo que estamos haciendo, para poder tomar decisiones inteligentes sobre la protección de los océanos».
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