Bilhões de toneladas de gases de efeito estufa estão presos no fundo do mar, e isso é bom. Ao longo da costa do continente, que desce até ao oceano, pequenas gaiolas de gelo mantêm o gás metano no lugar, impedindo-o de subir e ser libertado na atmosfera. Embora não sejam frequentemente destacadas nos meios de comunicação social, estas formações, conhecidas como clatratos de metano, têm sido alvo de escrutínio devido ao seu possível impacto nas alterações climáticas. Nas operações de perfuração offshore, o gelo de metano pode entupir os tubos, causando seu congelamento e ruptura. Suspeita-se que o desastre petrolífero da Deepwater Horizon em 2010 tenha sido causado pela acumulação de clatratos de metano.

Clatratos de metano (material branco semelhante a gelo) sob as rochas do fundo do mar no norte do Golfo do México. Tais depósitos indicam que o metano e outros gases viajam através do fundo do mar e para o oceano. Fonte da imagem: NOAA

Mas até agora, os processos biológicos de como o gás metano permanece estável no fundo do mar eram quase completamente desconhecidos. Num estudo inovador, uma equipa interdisciplinar de investigadores da Georgia Tech descobriu uma classe até então desconhecida de proteínas bacterianas que desempenham um papel crítico na formação e estabilidade de complexos de inclusão de metano.

A equipe de pesquisa, liderada por Jennifer Glass, professora associada da Escola de Ciências da Terra e Atmosféricas, e Raquel Lieberman, professora da Escola de Química e Bioquímica e Cátedra Sepcic-Pfeil, mostraram que essas novas proteínas bacterianas são tão eficazes na inibição do crescimento de clatratos de metano quanto os produtos químicos comerciais usados ​​​​atualmente na perfuração de poços, mas não são tóxicos, ecologicamente corretos e escaláveis. A sua investigação, financiada pela NASA, informa a procura de vida no sistema solar e também pode melhorar a segurança do transporte de gás natural.

O estudo, publicado na revista PNAS Nexus, destaca a importância da ciência básica no estudo dos sistemas biológicos naturais da Terra e destaca os benefícios da colaboração interdisciplinar.

“Queríamos entender como essas formações permanecem estáveis ​​no fundo do mar e quais são exatamente os mecanismos que contribuem para a sua estabilidade”, disse Glass. "Isso é algo que ninguém fez antes."

Triagem de sedimentos

O trabalho começou com a equipe examinando amostras de sedimentos semelhantes a argila que Glass coletou no fundo do mar na costa do Oregon.

Glass levanta a hipótese de que o sedimento contém proteínas que influenciam o crescimento de clatratos de metano, semelhantes às conhecidas proteínas anticongelantes em peixes que os ajudam a sobreviver em ambientes frios.

Efeitos morfológicos de inibidores em conchas de gaiola de metano. Esquerda: Um desenho mostrando a formação de complexos de inclusão de metano no início do crescimento da inclusão e às 3 horas com e sem inibidores. À direita: Fotografias representativas de clatratos de metano experimentais em cada estágio de crescimento, rotulados por tratamento. Fonte da imagem: Georgia Tech

Mas para confirmar a sua hipótese, Glass e a sua equipa de investigação tiveram primeiro de identificar proteínas candidatas entre os milhões de alvos potenciais contidos no sedimento. Eles então precisaram produzir as proteínas em laboratório, apesar de não entenderem como essas proteínas se comportavam. Além disso, ninguém havia estudado estas proteínas antes.

Glass abordou Lieberman, cujo laboratório estudava a estrutura das proteínas. O primeiro passo é usar sequenciamento de DNA combinado com bioinformática para identificar os genes das proteínas contidas no sedimento. Dustin Huard, pesquisador do laboratório de Lieberman e primeiro autor do artigo, preparou então proteínas candidatas que poderiam se ligar ao complexo de inclusão de metano. Huard usa cristalografia de raios X para determinar a estrutura das proteínas.

Criando condições do fundo do mar em laboratório

Huard deu a proteína candidata à ex-aluna de doutorado Abigail Johnson. estudante do laboratório de Glass e coautor do artigo, agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Geórgia. Para testar essas proteínas, Johnson recriou as altas pressões e baixas temperaturas do fundo do oceano em laboratório, formando ele mesmo clatratos de metano. Johnson trabalhou com Dai Sheng, professor associado da Escola de Engenharia Civil e Ambiental, para construir uma câmara de pressão exclusiva do zero.

Johnson colocou a proteína em um recipiente de pressão e ajustou o sistema para simular as condições de pressão e temperatura necessárias para a formação do complexo de inclusão. Ao pressurizar o recipiente com metano, Johnson forçou o metano para dentro das gotículas, formando uma estrutura de clatrato de metano.

Ela então mediu a quantidade de gás consumido pelos clatratos – uma medida da rapidez e da quantidade de clatratos formados – na presença e ausência de proteína. Johnson descobriu que usando proteínas de ligação ao clatrato, menos gás era consumido e os compostos do clatrato fundiam em temperaturas mais altas.

Quando a equipe de pesquisa confirmou que essas proteínas afetavam a formação e estabilidade dos complexos de inclusão de metano, eles conduziram simulações de dinâmica molecular usando a estrutura cristalina da proteína de Huard com a ajuda de James (JC) Gumbart, professor da Escola de Física. As simulações permitiram à equipe identificar os locais específicos onde a proteína se liga ao complexo de inclusão de metano.

Um sistema surpreendentemente novo

O estudo revelou insights inesperados sobre a estrutura e função das proteínas. Os pesquisadores inicialmente pensaram que uma porção da proteína semelhante às proteínas anticongelantes dos peixes desempenharia um papel na ligação do complexo de inclusão. Surpreendentemente, esta parte da proteína não desempenha nenhum papel e um mecanismo totalmente diferente dirige a interação.

Eles descobriram que essas proteínas não se ligam ao gelo, mas interagem com a própria estrutura de inclusão, direcionando o seu crescimento. Especificamente, partes da proteína que possuem propriedades semelhantes às proteínas anticongelantes estão enterradas na estrutura da proteína e, em vez disso, servem para estabilizar a proteína.

Os pesquisadores descobriram que essas proteínas tiveram melhor desempenho na modificação de clatratos de metano do que qualquer proteína anticongelante testada no passado. Eles têm um desempenho tão bom, se não melhor, que os inibidores de complexos de inclusão comerciais tóxicos usados ​​atualmente na perfuração, que representam uma séria ameaça ao meio ambiente.

A prevenção da formação de clatratos em gasodutos de gás natural é uma indústria multibilionária. Se estas proteínas biodegradáveis ​​pudessem ser utilizadas para evitar fugas catastróficas de gás natural, o risco de danos ambientais seria bastante reduzido.

"Tivemos sorte de isso realmente funcionar porque, embora tenhamos selecionado essas proteínas com base em sua semelhança com as proteínas anticongelantes, elas são completamente diferentes", disse Johnson. “Eles têm funções semelhantes na natureza, mas fazem isso através de sistemas biológicos completamente diferentes, o que considero realmente emocionante”.

Os clatratos de metano podem existir em todo o sistema solar – por exemplo, na subsuperfície de Marte e em luas geladas no sistema solar exterior, como Europa. As descobertas da equipa sugerem que, se existissem micróbios noutros corpos planetários, poderiam produzir biomoléculas semelhantes para reter água líquida nos canais dos clatratos, sustentando assim a vida.

“Ainda sabemos muito sobre os sistemas fundamentais da Terra”, disse Huard. "Essa é uma das grandes coisas da Georgia Tech - diferentes comunidades podem se unir para fazer ciência realmente interessante e inesperada. Nunca pensei que estaria trabalhando em um programa de astrobiologia, mas aqui estamos e temos muito sucesso."