Miles de millones de toneladas de gases de efecto invernadero están atrapadas bajo el mar, y eso es algo bueno. A lo largo de la costa del continente, que desciende hacia el océano, pequeñas jaulas de hielo mantienen el gas metano en su lugar, impidiendo que suba y se libere a la atmósfera. Aunque no suelen destacarse en los medios, estas formaciones, conocidas como clatratos de metano, han sido objeto de escrutinio por su posible impacto en el cambio climático. En las operaciones de perforación en alta mar, el hielo de metano puede obstruir las tuberías, provocando que se congelen y se rompan. Se sospecha que el desastre petrolero de Deepwater Horizon de 2010 fue causado por la acumulación de clatratos de metano.

Clatratos de metano (material blanco parecido al hielo) debajo de las rocas del fondo marino en el norte del Golfo de México. Estos depósitos indican que el metano y otros gases viajan a través del fondo marino hasta el océano. Fuente de la imagen: NOAA

Pero hasta ahora, los procesos biológicos por los que el gas metano se mantiene estable en el fondo marino eran casi completamente desconocidos. En un estudio innovador, un equipo interdisciplinario de investigadores de Georgia Tech descubrió una clase previamente desconocida de proteínas bacterianas que desempeñan un papel fundamental en la formación y estabilidad de los complejos de inclusión de metano.

El equipo de investigación, dirigido por Jennifer Glass, profesora asociada de la Facultad de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera, y Raquel Lieberman, profesora de la Facultad de Química y Bioquímica y presidenta de Sepcic-Pfeil, demostró que estas nuevas proteínas bacterianas son tan efectivas para inhibir el crecimiento de clatratos de metano como los productos químicos comerciales que se utilizan actualmente en la perforación de pozos, pero no son tóxicas, son respetuosas con el medio ambiente y escalables. Su investigación, financiada por la NASA, informa la búsqueda de vida en el sistema solar y también podría mejorar la seguridad del transporte de gas natural.

El estudio, publicado en la revista PNAS Nexus, destaca la importancia de la ciencia básica en el estudio de los sistemas biológicos naturales de la Tierra y destaca los beneficios de la colaboración interdisciplinaria.

"Queríamos entender cómo estas formaciones permanecen estables en el fondo marino y cuáles son exactamente los mecanismos que contribuyen a su estabilidad", dijo Glass. "Esto es algo que nadie ha hecho antes".

Sedimento de cribado

El trabajo comenzó con el equipo examinando muestras de sedimento arcilloso que Glass recogió del fondo marino frente a la costa de Oregón.

Glass plantea la hipótesis de que el sedimento contiene proteínas que influyen en el crecimiento de clatratos de metano, similares a las conocidas proteínas anticongelantes de los peces que les ayudan a sobrevivir en ambientes fríos.

Efectos morfológicos de los inhibidores sobre las carcasas de las jaulas de metano. Izquierda: una caricatura que muestra la formación de complejos de inclusión de metano al inicio del crecimiento de la inclusión y a las 3 horas con y sin inhibidores. Derecha: fotografías representativas de clatratos de metano experimentales en cada etapa de crecimiento, etiquetados por tratamiento. Fuente de la imagen: Georgia Tech

Pero para confirmar su hipótesis, Glass y su equipo de investigación primero tuvieron que identificar proteínas candidatas entre los millones de objetivos potenciales contenidos en el sedimento. Luego tuvieron que producir las proteínas en el laboratorio, a pesar de no entender cómo se comportaban esas proteínas. Además, nadie había estudiado estas proteínas antes.

Glass se acercó a Lieberman, cuyo laboratorio estudiaba la estructura de las proteínas. El primer paso es utilizar la secuenciación del ADN combinada con 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 podrían unirse al complejo de inclusión de metano. Huard utiliza cristalografía de rayos X para determinar la estructura de las proteínas.

Creando condiciones del fondo marino en el laboratorio.

Huard le dio la proteína candidata a la ex estudiante de doctorado Abigail Johnson. Estudiante en el laboratorio de Glass y coautor del artículo, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Georgia. Para probar estas proteínas, Johnson recreó las altas presiones y bajas temperaturas del fondo del océano en el laboratorio, formando él mismo clatratos de metano. Johnson trabajó con Dai Sheng, profesor asociado de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, para construir una cámara de presión única desde cero.

Johnson colocó la proteína en un recipiente a presión y ajustó el sistema para simular las condiciones de presión y temperatura necesarias para la formación del complejo de inclusión. Al presurizar el recipiente con metano, Johnson obligó al metano a entrar en las gotas, formando una estructura de clatrato de metano.

Luego midió la cantidad de gas consumida por los clatratos (una medida de la rapidez y la cantidad de clatratos que se formaban) en presencia y ausencia de proteínas. Johnson descubrió que al utilizar proteínas de unión a clatrato, se consumía menos gas y los compuestos de clatrato se derretían a temperaturas más altas.

Cuando el equipo de investigación confirmó que estas proteínas afectaban la formación y estabilidad de los complejos de inclusión de metano, realizaron simulaciones de dinámica molecular utilizando la estructura cristalina de la proteína de Huard con la ayuda de James (JC) Gumbart, profesor de la Facultad de Física. Las simulaciones permitieron al equipo identificar los sitios específicos donde la proteína se une al complejo de inclusión de metano.

Un sistema sorprendentemente novedoso

El estudio reveló conocimientos inesperados sobre la estructura y función de las proteínas. Inicialmente, los investigadores pensaron que una porción de la proteína similar a las proteínas anticongelantes de pescado desempeñaría un papel en la unión del complejo de inclusión. Sorprendentemente, esta parte de la proteína no desempeña ningún papel y un mecanismo completamente diferente dirige la interacción.

Descubrieron que estas proteínas no se unen al hielo sino que interactúan con la propia estructura de inclusión, dirigiendo su crecimiento. Específicamente, partes de la proteína que tienen propiedades similares a las proteínas anticongelantes están enterradas en la estructura de la proteína y, en cambio, sirven para estabilizar la proteína.

Los investigadores descubrieron que estas proteínas funcionaron mejor en la modificación de los clatratos de metano que cualquier proteína anticongelante probada en el pasado. Funcionan igual de bien, si no mejor, que los inhibidores de complejos de inclusión comerciales tóxicos que se utilizan actualmente en las perforaciones, que representan una grave amenaza para el medio ambiente.

La prevención de la formación de clatratos en los gasoductos es una industria multimillonaria. Si estas proteínas biodegradables pudieran usarse para prevenir fugas catastróficas de gas natural, el riesgo de daño ambiental se reduciría enormemente.

"Tuvimos suerte de que esto realmente funcionara porque, aunque seleccionamos estas proteínas en función de su similitud con las proteínas anticongelantes, son completamente diferentes", dijo Johnson. "Tienen funciones similares en la naturaleza, pero lo hacen a través de sistemas biológicos completamente diferentes, lo cual creo que es realmente emocionante".

Los clatratos de metano pueden existir en todo el sistema solar, por ejemplo, en el subsuelo de Marte y en lunas heladas del sistema solar exterior, como Europa. Los hallazgos del equipo sugieren que si existieran microbios en otros cuerpos planetarios, podrían producir biomoléculas similares para retener agua líquida en los canales de los clatratos, sustentando así la vida.

"Todavía sabemos mucho sobre los sistemas fundamentales de la Tierra", 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 programa de astrobiología, pero aquí estamos y tenemos mucho éxito".