مليارات الأطنان من الغازات الدفيئة محاصرة تحت البحر، وهذا أمر جيد. وعلى طول ساحل القارة، الذي ينحدر إلى المحيط، توجد أقفاص صغيرة من الجليد تحتفظ بغاز الميثان في مكانه، مما يمنعه من الارتفاع وإطلاقه في الغلاف الجوي. على الرغم من أنه لا يتم تسليط الضوء عليها كثيرًا في وسائل الإعلام، إلا أن هذه التكوينات، المعروفة باسم هيدرات الميثان، خضعت للتدقيق بسبب تأثيرها المحتمل على تغير المناخ. وفي عمليات الحفر البحرية، يمكن لجليد الميثان أن يسد الأنابيب، مما يؤدي إلى تجميدها وتمزقها. يشتبه في أن كارثة النفط في ديب ووتر هورايزن عام 2010 قد نتجت عن تراكم هيدرات الميثان.
هيدرات الميثان (مادة بيضاء تشبه الجليد) تحت صخور قاع البحر في شمال خليج المكسيك. وتشير هذه الرواسب إلى أن غاز الميثان والغازات الأخرى ينتقل عبر قاع البحر إلى المحيط. مصدر الصورة: نوا
لكن حتى الآن، كانت العمليات البيولوجية لكيفية بقاء غاز الميثان مستقرًا في قاع البحر مجهولة تمامًا. في دراسة رائدة، اكتشف فريق متعدد التخصصات من الباحثين في معهد جورجيا للتكنولوجيا فئة غير معروفة سابقًا من البروتينات البكتيرية التي تلعب دورًا حاسمًا في تكوين واستقرار مجمعات احتواء الميثان.
أظهر فريق البحث، بقيادة جينيفر جلاس، الأستاذ المشارك في كلية علوم الأرض والغلاف الجوي، وراكيل ليبرمان، الأستاذ في كلية الكيمياء والكيمياء الحيوية ورئيس سيبسيك-بفيل، أن هذه البروتينات البكتيرية الجديدة فعالة في تثبيط نمو هيدرات الميثان مثل المواد الكيميائية التجارية المستخدمة حاليًا في حفر الآبار، ولكنها غير سامة وصديقة للبيئة وقابلة للتطوير. إن أبحاثهم، التي تمولها وكالة ناسا، تفيد البحث عن الحياة في النظام الشمسي ويمكنها أيضًا تحسين سلامة نقل الغاز الطبيعي.
تسلط الدراسة، التي نشرت في مجلة PNAS Nexus، الضوء على أهمية العلوم الأساسية في دراسة النظم البيولوجية الطبيعية للأرض وتسلط الضوء على فوائد التعاون متعدد التخصصات.
وقال جلاس: "أردنا أن نفهم كيف تظل هذه التكوينات مستقرة في قاع البحر وما هي بالضبط الآليات التي تساهم في استقرارها". "هذا شيء لم يفعله أحد من قبل."
فحص الرواسب
بدأ العمل بفحص الفريق لعينات من الرواسب الشبيهة بالطين التي جمعها جلاس من قاع البحر قبالة ساحل ولاية أوريغون.
يفترض الزجاج أن الرواسب تحتوي على بروتينات تؤثر على نمو هيدرات الميثان، على غرار البروتينات المعروفة المضادة للتجمد في الأسماك والتي تساعدها على البقاء في البيئات الباردة.
التأثيرات المورفولوجية للمثبطات على قذائف قفص الميثان. على اليسار: رسم كاريكاتوري يوضح تكوين مجمعات احتواء الميثان في بداية نمو التضمين وبعد 3 ساعات مع وبدون مثبطات. على اليمين: صور فوتوغرافية تمثيلية لمركبات الميثان التجريبية في كل مرحلة من مراحل النمو، مصنفة حسب المعالجة. مصدر الصورة: جورجيا تك
ولكن لتأكيد فرضيتها، كان على جلاس وفريقها البحثي أولاً تحديد البروتينات المرشحة من بين ملايين الأهداف المحتملة الموجودة في الرواسب. ثم احتاجوا إلى تصنيع البروتينات في المختبر، على الرغم من عدم فهمهم لكيفية تصرف هذه البروتينات. علاوة على ذلك، لم يدرس أحد هذه البروتينات من قبل.
اقترب جلاس من ليبرمان، الذي درس مختبره بنية البروتينات. الخطوة الأولى هي استخدام تسلسل الحمض النووي مع المعلوماتية الحيوية لتحديد جينات البروتينات الموجودة في الرواسب. قام داستن هوارد، الباحث في مختبر ليبرمان والمؤلف الأول لهذه الورقة، بإعداد البروتينات المرشحة التي قد ترتبط بمركب احتواء الميثان. يستخدم هوارد علم البلورات بالأشعة السينية لتحديد بنية البروتينات.
تهيئة ظروف قاع البحر في المختبر
أعطى هوارد البروتين المرشح لطالبة الدكتوراه السابقة أبيجيل جونسون. طالب في مختبر جلاس ومؤلف أول مشارك لهذه الورقة، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة جورجيا. ولاختبار هذه البروتينات، قام جونسون بإعادة خلق الضغوط العالية ودرجات الحرارة المنخفضة لقاع المحيط في المختبر، مكونًا هيدرات الميثان بنفسه. عمل جونسون مع داي شنغ، الأستاذ المشارك في كلية الهندسة المدنية والبيئية، لبناء غرفة ضغط فريدة من الصفر.
وضع جونسون البروتين في وعاء ضغط وقام بتعديل النظام لمحاكاة ظروف الضغط ودرجة الحرارة المطلوبة لتكوين المعقد المتضمن. ومن خلال ضغط الوعاء بالميثان، دفع جونسون الميثان إلى القطرات، مشكلًا بنية هيدرات الميثان.
ثم قامت بقياس كمية الغاز التي تستهلكها الكالثرات - وهو مقياس لمدى سرعة وكمية تشكل الكالثرات - في وجود البروتين أو عدم وجوده. وجد جونسون أن استخدام البروتينات الرابطة للكالثرات، أدى إلى استهلاك كمية أقل من الغاز وذوبان مركبات الكالثرات عند درجات حرارة أعلى.
وعندما أكد فريق البحث أن هذه البروتينات تؤثر على تكوين واستقرار مجمعات احتواء الميثان، أجروا محاكاة للديناميكيات الجزيئية باستخدام البنية البلورية لبروتين هوارد بمساعدة جيمس (JC) جومبارت، الأستاذ في كلية الفيزياء. سمحت عمليات المحاكاة للفريق بتحديد المواقع المحددة التي يرتبط فيها البروتين بمجمع احتواء الميثان.
نظام جديد بشكل مدهش
كشفت الدراسة عن رؤى غير متوقعة حول بنية البروتين ووظيفته. اعتقد الباحثون في البداية أن جزءًا من البروتين مشابهًا لبروتينات مضادات التجمد الموجودة في الأسماك من شأنه أن يلعب دورًا في تضمين الارتباط المعقد. والمثير للدهشة أن هذا الجزء من البروتين لا يلعب أي دور وأن هناك آلية مختلفة تمامًا توجه التفاعل.
ووجدوا أن هذه البروتينات لا ترتبط بالجليد، ولكنها تتفاعل مع البنية المتضمنة نفسها، وتوجه نموها. على وجه التحديد، يتم دفن أجزاء البروتين التي لها خصائص مشابهة للبروتينات المضادة للتجمد في بنية البروتين وتعمل بدلاً من ذلك على تثبيت البروتين.
ووجد الباحثون أن أداء هذه البروتينات أفضل في تعديل هيدرات الميثان مقارنة بأي بروتين مضاد للتجمد تم اختباره في الماضي. فهي تؤدي أداءً مماثلاً، إن لم يكن أفضل، من مثبطات مركب الشمول التجاري السامة المستخدمة حالياً في الحفر، والتي تشكل تهديداً خطيراً للبيئة.
إن منع تكوين الكالثرات في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي هو صناعة تبلغ قيمتها مليارات الدولارات. إذا أمكن استخدام هذه البروتينات القابلة للتحلل الحيوي لمنع تسرب الغاز الطبيعي الكارثي، فسيتم تقليل خطر الأضرار البيئية إلى حد كبير.
وقال جونسون: "لقد كنا محظوظين لأن هذا نجح بالفعل لأنه على الرغم من أننا اخترنا هذه البروتينات على أساس تشابهها مع البروتينات المضادة للتجمد، إلا أنها مختلفة تماما". "إن لديهم وظائف مماثلة في الطبيعة ولكنهم يفعلون ذلك من خلال أنظمة بيولوجية مختلفة تمامًا، وهو ما أعتقد أنه مثير حقًا."
قد تتواجد هيدرات الميثان في جميع أنحاء النظام الشمسي، على سبيل المثال، تحت سطح المريخ، وعلى الأقمار الجليدية في النظام الشمسي الخارجي، مثل أوروبا. وتشير النتائج التي توصل إليها الفريق إلى أنه إذا كانت الميكروبات موجودة على أجسام كوكبية أخرى، فإنها قد تنتج جزيئات حيوية مماثلة للاحتفاظ بالمياه السائلة في قنوات الكالثرات، وبالتالي دعم الحياة.
وقال هوارد: "ما زلنا نعرف الكثير عن الأنظمة الأساسية على الأرض". "هذا أحد الأشياء الرائعة في Georgia Tech - يمكن للمجتمعات المختلفة أن تجتمع معًا للقيام بعلوم رائعة وغير متوقعة حقًا. لم أعتقد أبدًا أنني سأعمل في برنامج لعلم الأحياء الفلكي، ولكن ها نحن هنا، ونحن ناجحون للغاية."