數十億噸溫室氣體被困在海底，這是一件好事。沿著大陸海岸，斜坡下降到海洋中，微小的冰籠將甲烷氣體固定在適當的位置，防止其上升並釋放到大氣中。儘管媒體並不經常強調，但這些被稱為甲烷包合物的形成物由於可能對氣候變遷產生影響而受到密切關注。在海上鑽井作業中，甲烷冰會堵塞管道，導致管道凍結和破裂。2010年的深水地平線石油災難被懷疑是由於甲烷包合物的累積所造成的。

墨西哥灣北部海底岩石下的甲烷包合物（白色冰狀物質）。此類沉積物表明甲烷和其他氣體穿過海底並進入海洋。圖片來源：NOAA

但到目前為止，甲烷氣體如何在海底保持穩定的生物過程幾乎完全未知。在一項突破性研究中，佐治亞理工學院研究人員組成的跨學科團隊發現了一類以前未知的細菌蛋白，它們在甲烷包合物的形成和穩定性中發揮著至關重要的作用。

由地球與大氣科學學院副教授Jennifer Glass 和化學與生物化學學院教授兼Sepcic-Pfeil 主席Raquel Lieberman 領導的研究小組表明，這些新型細菌蛋白能夠有效抑制甲烷包合物的生長與目前用於鑽井的商業化學品一樣，但無毒、環保且可擴展。他們的研究由美國宇航局資助，為在太陽系中尋找生命提供了信息，並且還可以提高天然氣運輸的安全性。

這項研究發表在《PNAS Nexus》雜誌上，強調了基礎科學在研究地球自然生物系統的重要性，並強調了跨學科合作的好處。

格拉斯說：“我們想了解這些地層如何在海底保持穩定，以及到底是什麼機制有助於它們的穩定。這是以前沒有人做過的事情。”

篩選沉積物

這項工作首先是團隊檢查了格拉斯從俄勒岡州海岸附近的海底採集的黏土狀沉積物樣本。

格拉斯假設沉積物中含有影響甲烷籠形物生長的蛋白質，這些蛋白質類似於魚類中眾所周知的抗凍蛋白質，有助於它們在寒冷的環境中生存。

抑制劑對甲烷籠形殼的形態影響。左圖：一幅卡通圖，展示了在使用和不使用抑制劑的情況下，在包合物生長開始時和3小時時甲烷包合物的形成。右：每個生長階段的實驗甲烷包合物的代表性照片，按處理標記。圖片來源：喬治亞理工學院

但為了證實她的假設，格拉斯和她的研究團隊首先必須從沉積物中包含的數百萬個潛在目標中辨識出候選蛋白質。然後他們需要在實驗室中製造蛋白質，儘管他們不了解這些蛋白質的行為。而且，之前沒有人研究過這些蛋白質。

格拉斯找到了利伯曼，他的實驗室研究蛋白質的結構。第一步是利用DNA 定序與生物資訊學結合來識別沉積物中所含蛋白質的基因。利伯曼實驗室的研究員、論文的第一作者達斯汀華德(Dustin Huard) 隨後製備了可能與甲烷包合物結合的候選蛋白質。Huard 使用X 射線晶體學來確定蛋白質的結構。

在實驗室中創造海底條件

華德將候選蛋白質交給了前博士生阿比蓋爾·約翰遜(Abigail Johnson)。格拉斯實驗室的學生和論文的共同第一作者，現在是喬治亞大學的博士後研究員。為了測試這些蛋白質，約翰遜在實驗室中重現了海底的高壓和低溫，並自己形成了甲烷包合物。約翰遜與土木與環境工程學院副教授戴盛合作，從頭開始建造了一個獨特的壓力室。

約翰遜將蛋白質放入壓力容器中，並調整系統以模擬包合物形成所需的壓力和溫度條件。透過用甲烷對容器加壓，約翰遜將甲烷壓入液滴中，從而形成甲烷包合物結構。

然後，她測量了包合物消耗的氣體量（衡量包合物形成速度和數量的指標），並在有蛋白質存在和無蛋白質存在的情況下進行測量。約翰遜發現，使用籠形結合蛋白，消耗的氣體較少，籠形化合物在較高的溫度下熔化。

當研究團隊證實這些蛋白質會影響甲烷包合物的形成和穩定性後，他們在物理學院教授James (JC) Gumbart 的幫助下，利用Huard 的蛋白質晶體結構進行了分子動力學模擬。模擬使研究小組能夠識別蛋白質與甲烷包合物結合的特定位點。

一個令人驚訝的新穎系統

這項研究揭示了對蛋白質結構和功能的意想不到的見解。研究人員最初認為該蛋白質中與魚類抗凍蛋白相似的部分將在包合物結合中發揮作用。令人驚訝的是，蛋白質的這一部分沒有發揮作用，完全不同的機制指導了相互作用。

他們發現這些蛋白質不與冰結合，而是與包合物結構本身相互作用，指導其生長。具體來說，蛋白質中與抗凍蛋白具有相似特性的部分被埋藏在蛋白質結構中，反而扮演了穩定蛋白質的角色。

研究人員發現，這些蛋白質在修飾甲烷籠形物方面比過去測試過的任何抗凍蛋白質表現更好。它們的性能即使不是更好，也與目前用於鑽井的有毒商業包合物抑制劑一樣好，這些抑制劑對環境造成嚴重威脅。

防止天然氣管道中形成籠形物是一個價值數十億美元的產業。如果這些可生物降解的蛋白質可以用來防止災難性的天然氣洩漏，那麼將大大降低環境破壞的風險。

「我們很幸運，這確實有效，因為儘管我們根據這些蛋白質與抗凍蛋白質的相似性來選擇這些蛋白質，但它們是完全不同的，」約翰遜說。“它們在自然界中具有相似的功能，但通過完全不同的生物系統實現這一點，我認為這確實令人興奮。”

甲烷包合物可能存在於整個太陽系中——例如，在火星的地下，以及太陽系外層的冰冷衛星上，例如木衛二。研究小組的發現表明，如果微生物存在於其他行星體上，它們可能會產生類似的生物分子，以將液態水保留在包合物的通道中，從而維持生命。

「我們仍然對地球上的基本系統了解很多，」華德說。「這是佐治亞理工學院的偉大之處之一——不同的社區可以聚集在一起進行非常酷的、意想不到的科學研究。 我從沒想過我會從事天體生物學項目，但我們來了，而且我們非常成功。”