Forskere har lavet et stort gennembrud i forståelse af det enzym, der er ansvarligt for at producere næsten alt metan med biologisk oprindelse i verden. Forskningen, som peger på en overraskende evolutionær kobling til et andet vigtigt enzym, kan måske afhjælpe det store klimaproblem, som kommer fra køers maver, siger forsker.
Forskere har i et banebrydende forskningsarbejde fundet ud af, hvordan det enzym methyl-coenzyme M reductase (MCR) aktiveres – et specialiseret enzym, som får mikroorganismer til at danne metan.
Opdagelsen er interessant, fordi netop MCR er ansvarlig for at producere næsten alt metan med Enzymet spiller en central rolle i naturens metankredsløb og har i årevis været en gåde for forskere.
Særligt i disse år er der en stor interesse i at forstå denne vigtige biologiske proces, fordi metan er en potent drivhusgas, som bidrager betydeligt til global opvarmning.
Forskningsarbejdet kaster derudover ikke kun lys over, hvordan MCR aktiveres, men viser også, at de samme molekylære mekanismer er kendt fra nitrogenase-enzymet, der gør nitrogen i atmosfæren tilgængeligt for livet på Jorden.
På den måde kobler forskerne to af livets vigtigste processer sammen og peger på en fælles evolutionær baggrund.
”Det tyder på, at de to biologiske systemer – produktionen af metan og nitrogen – deler et fælles molekylært ‘stamtræ’. Selvom de i dag har vidt forskellige funktioner, kan de altså spores tilbage til samme evolutionære ophav. Vores undersøgelse etablerer en hidtil uset evolutionær forbindelse mellem to grundlæggende biologiske processer, nemlig metanogenese, altså produktionen af metan, og nitrogenfiksering fra atmosfæren,” forklarer en af forskerne bag studiet, ph.d. og forsker Jan Michael Schuller fra Center for Synthetic Microbiology (SYNMIKRO) ved Philipps-University Marburg, Tyskland.
Forskningen er offentliggjort i Nature.
Metan bliver produceret i vådområder og af køer
Produktionen af metan er næsten lige som gammel som livet selv.
Metanproducerende arkæer er mikroorganismer, der har eksisteret i milliarder af år og fortsat i dag producerer op til én mia. ton metan om året.
Metanproducerende mikroorganismer findes i hele naturen – blandt andet i vådområder og i maverne på køer, får og andre drøvtyggere. Her skaber de enorme mængder metan, som slipper ud i atmosfæren.
Metan kan også fungere som en vigtig og vedvarende energikilde, da der er rigeligt af det i verden, og derfor er der i det store hele stor interesse i at forstå, hvad de metanproducerende arkæer laver, og hvordan de gør det.
Centralt i arkæernes produktion af metan findes MCR, der er et super specialiseret enzym, som i enzymets aktive område er afhængig af koenzymet F430.
For at virke kræver enzymet MCR et særligt stof kaldet F430, som kun fungerer, hvis det indeholder nikkel i en meget reduceret form. Men at reducere nikkel på den måde er ekstremt vanskeligt. Før nu har ingen vidst, hvordan naturen klarer det.
Det er netop forståelsen af, hvordan MCR kommer omkring det, at forskerne nu har fundet ud af.
”Det er ekstremt vanskeligt at reducere nikkel til den mest reducerede form, og det har indtil nu været en gåde, hvordan naturen gør det. Med dette studie kommer vi for første gang med svaret,” forklarer Jan Michael Schuller.
Kobler metanproduktion til nitrogenfiksering
Via forskellige komplekse metoder var forskerne i stand til at identificere, hvordan nikkel bliver reduceret i MCR, og dermed hvordan enzymet i det hele taget er i stand til at producere metan.
Forskerne identificerede, at processen kræver energi i form af ATP, der er alle cellers energimolekyle, plus tre unikke molekylære strukturer af jern og svovl, såkaldte jern-svovl-kulstof-komplekser.
Disse særlige komplekser, som består af jern, svovl og kulstof, fungerer som små metalklynger, der overfører elektroner – med former, strukturer og topologier, der kun kendes fra nitrogenase-enzymer.
Opdagelsen kobler på den måde oprindelsen af MCR og nitrogenaser sammen i en fælles evolutionær historie, der indtil nu har været helt overset.
Faktisk viser studiet, at MCR formentlig gjorde brug af jern-svovl-kulstof-komplekser før nitrogenaser.
Det indikerer, at jern-svovl-kulstof-komplekserne blev udvikler i metanproducerende arkæer og ikke nitrogenfikserende bakterier, som det hidtil har været antaget.
”Vores opdagelse har store implikationer for forståelsen af livets oprindelse. Vi kan nu vise, at alle nitrogenfikserende enzymer blev udviklet efter metanproducerende enzymer. Det fortæller os, at nitrogenfiksering faktisk er udviklet fra en sidereaktion af metanproduktion,” siger Jan Michael Schuller.
Kan få betydning for kampen mod klimaforandringer
Ifølge Jan Michael Schuller er opdagelsen vigtig af flere forskellige grunde.
For det første er der den evolutionære erkendelse, og så at forskerne kobler to af livets vigtigste processer sammen i én fælles oprindelse.
Det kan kaste helt nyt lys over, hvordan livet på Jorden har udviklet sig.
Opdagelsen kan også blive relevant i nutiden og specielt i forbindelse med forsøget på at bremse klimaforandringerne.
Blandt andet forestiller Jan Michael Schuller, at man med den nye viden kan tænke i måder til at sætte en bremse på MCR, for eksempel i maven på køer, så køerne ikke producerer lige så meget klimaforværrende metan.
Det vil alt andet lige mindske presset på klodens klima.
”Den måde disse komplekser binder til deres enzymer er unikt. Det betyder, at vi kan ramme MCR meget præcist, uden at det samtidig gør skade på andre biologiske systemer i kroppen. Hvis forskerne med den nye forståelse kan udvikle stoffer, der hæmmer MCR i fx køers maver, kan det give en ny og præcis metode til at reducere metanudslip – uden at skade dyrene. Det gør opdagelsen ikke bare relevant for grundforskningen, men også for kampen mod klimaforandringer,” siger han.
