Az izotópos ujjlenyomatok jelentősége
A kutatók hagyományosan a metán molekuláiban található szén- és hidrogénizotópok arányát elemzik, hogy a különböző környezeti forrásokat elkülöníthessék egymástól. Ezeket izotópos ujjlenyomatoknak nevezik, mivel az eltérő anyagcseréjű metanogének más-más arányban építenek be például szén-13-at vagy deutériumot a keletkező metánba. Az elmúlt hetven év kutatásai bebizonyították, hogy az olajmezők földgáza, a tehénbélben vagy akár mélytengeri üledékekben élő mikrobák metánja izotóposan jól megkülönböztethető. Azonban ezek a laboratóriumban tökéletesen megfigyelhető izotópos eltérések a valós, bonyolultabb környezetben gyakran elmosódnak.
A CRISPR-technológia új távlatokat nyit
A Kaliforniai Berkeley Egyetem kutatócsoportja, köztük Jonathan Gropp posztdoktor, Dipti Nayak molekuláris biológus és Daniel Stolper geokémikus, a legmodernebb génszerkesztő eszközzel, a CRISPR-rel avatkozott be a metántermelő folyamatokba. A Methanosarcina acetivorans nevű metanogénben célzottan csökkentették a metánképződés kulcsenzimje, a metil-koenzim M reduktáz (MCR) mennyiségét.
Ez arra utal, hogy a laboratóriumban jól ismert izotópos mintázatokat a valós környezetben a mikroorganizmusok eltérő mértékű enzimaktivitása – például éhezéskor vagy környezeti stressz hatására – jelentősen módosíthatja. Ez a felismerés alapjaiban változtatja meg azt, ahogy a metán eredetére utaló izotópos adatokat értelmezzük a különböző környezetekből.
Mire „tanítanak” minket az enzimek?
A kísérletek során kiderült, hogy amikor a metanogének „éheznek” – vagyis csökken az MCR enzim koncentrációja –, a sejtek más enzimjeik működését is jelentősen áthangolják. Ez azzal jár, hogy a metántermelés drasztikusan lelassul, a biokémiai reakciók pedig oda-vissza zajlanak. Ilyenkor a víz hidrogénjei is nagyobb arányban épülnek be a metánba, vagyis a keletkező gáz hidrogénizotóp-összetétele sokkal inkább tükrözi a környezet vizét, mint a tápanyagok eredeti izotópösszetételét.
Ez gyökeresen ellentmond a korábbi feltevéseknek, amelyek szerint például az ecetet (acetátot) vagy metanolt fogyasztó mikrobák által termelt metán hidrogénje kizárólag a tápanyagból származik. A mostani eredmények szerint azonban a környezetbe jutó metán izotóp-összetétele jelentősen módosulhat attól függően, hogyan reagálnak a metanogének a környezeti feltételekre.
Új fény vetül a metánkibocsátás forrásaira
Érdemes kiemelni, hogy amennyiben a természetben is gyakori az az izotópcsere, amit a CRISPR-rel manipulált enzimek mutattak, akkor valószínűleg alulbecsültük az acetátot fogyasztó mikrobák szerepét a globális metánkibocsátásban. Ezek akár jóval nagyobb mértékben is hozzájárulhatnak a légköri metánhoz, mint eddig feltételeztük, ami jelentős hatással lehet a kibocsátáscsökkentési stratégiákra.
Így arra következtethetünk, hogy a mikroorganizmusok génexpressziója és enzimaktivitása is befolyásolja azt a látszólag egyszerű kérdést, hogyan határozhatjuk meg egy adott helyszín metánkibocsátásának eredetét izotópos mérésekkel.
A mesterséges intelligencia és genetikai kutatások jövője a metáncsökkentésben
A CRISPR alkalmazása nemcsak áttörést hozott a metántermelés izotópos vizsgálatában, hanem olyan új eszközt is adott a kutatók kezébe, amellyel más enzimhálózatokban is részletesen feltérképezhetők a biokémiai és izotópos folyamatok – akár mesterséges intelligencia rendszerek segítségével.
Dipti Nayak azt is hangsúlyozta, hogy ha mesterségesen tudjuk csökkenteni a metánképző enzim mennyiségét a metanogénekben, akkor a gázképződés gátlásán túl ezek a mikrobák más, hasznosabb termékek előállítására is alkalmasak lehetnek – így egyszerre csökkenthetjük a káros kibocsátásokat és fejleszthetünk fenntartható biotechnológiákat.
A felfedezés széles körben hasznosítható, például a rizsföldi, mocsári vagy szarvasmarha-eredetű metánkibocsátás pontosabb nyomon követésében, illetve a biogáz előállításának optimalizálásában is. Remélhető, hogy a gének és enzimek irányításának ilyen mértékű feltérképezése végső soron hatékonyabb klímavédelmi eszközöket eredményezhet.
