Hàng tỷ tấn khí nhà kính bị giữ lại dưới biển và đó là một điều tốt. Dọc theo bờ biển lục địa dốc xuống đại dương, những lồng băng nhỏ giữ khí metan tại chỗ, ngăn không cho nó bốc lên và thải vào khí quyển. Mặc dù không thường xuyên được nêu bật trên các phương tiện truyền thông, nhưng những thành tạo này, được gọi là metan clathrate, đã được xem xét kỹ lưỡng về tác động có thể có của chúng đối với biến đổi khí hậu. Trong hoạt động khoan ngoài khơi, băng mêtan có thể làm tắc nghẽn đường ống, khiến chúng đóng băng và vỡ. Thảm họa dầu Deepwater Horizon năm 2010 được cho là do sự tích tụ khí metan.

Methane clathrates (vật liệu giống băng trắng) dưới đá đáy biển ở phía bắc Vịnh Mexico. Những trầm tích như vậy cho thấy khí mê-tan và các loại khí khác di chuyển qua đáy biển và vào đại dương. Người cung cấp hình ảnh: NOAA

Nhưng cho đến nay, các quá trình sinh học về cách khí metan duy trì ổn định dưới đáy biển gần như hoàn toàn chưa được biết đến. Trong một nghiên cứu mang tính đột phá, một nhóm liên ngành gồm các nhà nghiên cứu của Georgia Tech đã phát hiện ra một loại protein vi khuẩn chưa được biết đến trước đây, đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và ổn định của các phức hợp bao gồm metan.

Nhóm nghiên cứu do Jennifer Glass, phó giáo sư tại Trường Khoa học Trái đất và Khí quyển, và Raquel Lieberman, giáo sư tại Trường Hóa học và Hóa sinh và Chủ tịch Sepcic-Pfeil dẫn đầu, đã chỉ ra rằng các protein vi khuẩn mới này có hiệu quả trong việc ức chế sự phát triển của metan clathrate giống như các hóa chất thương mại hiện được sử dụng trong khoan, nhưng không độc hại, thân thiện với môi trường và có thể mở rộng. Nghiên cứu của họ, do NASA tài trợ, cung cấp thông tin cho việc tìm kiếm sự sống trong hệ mặt trời và cũng có thể cải thiện sự an toàn của việc vận chuyển khí đốt tự nhiên.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PNAS Nexus, nhấn mạnh tầm quan trọng của khoa học cơ bản trong việc nghiên cứu các hệ thống sinh học tự nhiên của Trái đất và nêu bật lợi ích của sự hợp tác liên ngành.

Grass cho biết: "Chúng tôi muốn hiểu làm thế nào các thành tạo này duy trì ổn định dưới đáy biển và chính xác thì cơ chế nào góp phần tạo nên sự ổn định của chúng. Đây là điều chưa ai từng làm trước đây."

T AGPH64Sàng lọc trầm tích

Công việc bắt đầu với việc nhóm kiểm tra các mẫu trầm tích giống đất sét mà Glass thu thập từ đáy biển ngoài khơi bờ biển Oregon.

Cỏ đưa ra giả thuyết rằng trầm tích có chứa các protein ảnh hưởng đến sự phát triển của metan clathrates, các protein tương tự như protein chống đông nổi tiếng ở cá giúp chúng tồn tại trong môi trường lạnh giá. Ảnh hưởng hình thái của chất ức chế

trên vỏ lồng metan. Bên trái: Một phim hoạt hình cho thấy sự hình thành các phức hợp bao gồm metan khi bắt đầu phát triển bao gồm và sau 3 giờ có và không có chất ức chế. Phải: Các bức ảnh đại diện về các nhóm khí mêtan thử nghiệm ở từng giai đoạn tăng trưởng, được dán nhãn bằng cách xử lý. Nguồn hình ảnh: Viện Công nghệ Georgia

Nhưng để xác nhận giả thuyết của mình, Glass và nhóm nghiên cứu của cô trước tiên phải xác định các protein ứng cử viên trong số hàng triệu mục tiêu tiềm năng có trong trầm tích. Sau đó, họ cần tạo ra các protein này trong phòng thí nghiệm, mặc dù không hiểu các protein đó hoạt động như thế nào. Hơn nữa, trước đây chưa có ai nghiên cứu những protein này.

Glass tiếp cận Lieberman, người có phòng thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc của protein. Bước đầu tiên là sử dụng phương pháp giải trình tự DNA kết hợp với tin sinh học để xác định gen mã hóa protein có trong trầm tích. Dustin Huard, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Lieberman và là tác giả đầu tiên của bài báo, sau đó đã chuẩn bị các protein ứng cử viên có thể liên kết với phức hợp bao gồm mêtan. Huard sử dụng tinh thể học tia X để xác định cấu trúc của protein.

Tạo điều kiện đáy biển trong phòng thí nghiệm

Huard đã đưa protein ứng cử viên cho cựu nghiên cứu sinh Abigail Johnson. sinh viên trong phòng thí nghiệm của Glass và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo, hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Georgia. Để kiểm tra các protein này, Johnson đã tái tạo áp suất cao và nhiệt độ thấp của đáy đại dương trong phòng thí nghiệm, tự tạo thành các nhóm khí mê-tan. Johnson đã làm việc với Dai Sheng, phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, để chế tạo một buồng áp suất độc đáo ngay từ đầu.

Johnson đặt protein vào bình áp suất và điều chỉnh hệ thống để mô phỏng các điều kiện áp suất và nhiệt độ cần thiết cho quá trình hình thành phức chất bao gồm. Bằng cách tạo áp suất cho bình bằng khí mê-tan, Johnson đã ép khí mê-tan vào các giọt nước, tạo thành cấu trúc metan clathrate.

Sau đó, cô đo lượng khí tiêu thụ bởi các phức hợp hòa tan—một thước đo về tốc độ và số lượng phức hợp hòa tan hình thành—khi có và không có protein. Johnson phát hiện ra rằng khi sử dụng các protein liên kết với clathrate, lượng khí tiêu thụ ít hơn và các hợp chất clathrate tan chảy ở nhiệt độ cao hơn.

Khi nhóm nghiên cứu xác nhận rằng các protein này ảnh hưởng đến sự hình thành và tính ổn định của phức hợp bao gồm metan, họ đã tiến hành mô phỏng động lực phân tử bằng cấu trúc tinh thể protein của Huard với sự trợ giúp của James (JC) Gumbart, giáo sư tại Trường Vật lý. Các mô phỏng cho phép nhóm nghiên cứu xác định các vị trí cụ thể nơi protein liên kết với phức hợp bao gồm mêtan.

Một hệ thống mới đáng ngạc nhiên

Nghiên cứu này tiết lộ những hiểu biết bất ngờ về cấu trúc và chức năng của protein. Các nhà nghiên cứu ban đầu nghĩ rằng một phần protein tương tự như protein chống đông của cá sẽ đóng vai trò bao gồm liên kết phức tạp. Điều đáng ngạc nhiên là phần protein này không có vai trò gì và có một cơ chế hoàn toàn khác điều khiển sự tương tác.

Họ phát hiện ra rằng những protein này không liên kết với băng mà thay vào đó tương tác với chính cấu trúc vùi, điều khiển sự phát triển của nó. Cụ thể, các phần của protein có đặc tính tương tự như protein chống đông được ẩn trong cấu trúc protein và thay vào đó có tác dụng ổn định protein.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những protein này hoạt động tốt hơn trong việc biến đổi clathrate metan so với bất kỳ protein chống đông nào được thử nghiệm trước đây. Chúng hoạt động tốt, nếu không muốn nói là tốt hơn các chất ức chế phức hợp thương mại độc hại hiện đang được sử dụng trong khoan, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng cho môi trường.

Ngăn chặn sự hình thành clathrate trong đường ống dẫn khí đốt tự nhiên là một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la. Nếu những protein có khả năng phân hủy sinh học này có thể được sử dụng để ngăn chặn thảm họa rò rỉ khí tự nhiên thì nguy cơ thiệt hại về môi trường sẽ giảm đi đáng kể.

"Chúng tôi thật may mắn khi phương pháp này thực sự có hiệu quả vì mặc dù chúng tôi đã chọn những protein này dựa trên sự giống nhau của chúng với protein chống đông nhưng chúng hoàn toàn khác nhau", Johnson nói. "Chúng có chức năng tương tự nhau trong tự nhiên, nhưng thực hiện thông qua các hệ thống sinh học hoàn toàn khác nhau, điều mà tôi nghĩ thực sự thú vị."

Methane clatrate có thể được tìm thấy trên khắp hệ mặt trời—ví dụ: ở dưới bề mặt của Sao Hỏa và trên các mặt trăng băng giá ở bên ngoài hệ mặt trời như Europa. Phát hiện của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng nếu vi khuẩn tồn tại trên các hành tinh khác, chúng có thể tạo ra các phân tử sinh học tương tự để giữ nước ở dạng lỏng trong các kênh clathrates, từ đó hỗ trợ sự sống.

“Chúng tôi vẫn biết rất nhiều về các hệ thống cơ bản trên Trái đất,” Huard nói. "Đó là một trong những điều tuyệt vời về Georgia Tech - các cộng đồng khác nhau có thể cùng nhau thực hiện những nghiên cứu khoa học thực sự thú vị và bất ngờ. Tôi chưa bao giờ nghĩ mình sẽ làm việc trên một chương trình sinh vật học vũ trụ, nhưng chúng tôi đang ở đây và chúng tôi rất thành công."