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Gigatons de gases de efeito estufa estão presos no fundo do mar, e isso é bom. Ao redor das costas dos continentes, onde as encostas afundam no mar, pequenas gaiolas de gelo retêm o gás metano, impedindo-o de escapar e borbulhar na atmosfera.
Embora raramente sejam notícia, estas formações de gaiolas de gelo, conhecidas como clatratos de metano, têm chamado a atenção devido ao seu potencial para afectar as alterações climáticas. Durante a perfuração offshore, o gelo de metano pode ficar preso nos tubos, fazendo com que congelem e rebentem. Acredita-se que o derramamento de óleo da Deepwater Horizon em 2010 tenha sido causado por um acúmulo de clatratos de metano.
Mas até agora, o processo biológico por trás do modo como o gás metano permanece estável no fundo do mar era quase completamente desconhecido. Num estudo inovador, uma equipa interdisciplinar de investigadores da Georgia Tech descobriu uma classe até então desconhecida de proteínas bacterianas que desempenham um papel crucial na formação e estabilidade de clatratos de metano.
Uma equipe liderada por Jennifer Glass, professora associada da Escola de Ciências da Terra e Atmosféricas, e Raquel Lieberman, professora e Cátedra Sepcic-Pfeil da Escola de Química e Bioquímica, mostrou que essas novas proteínas bacterianas suprimem o crescimento de clatratos de metano com a mesma eficácia como produtos químicos comerciais atualmente usados na perfuração, mas não são tóxicos, são ecologicamente corretos e escaláveis. O estudo, financiado pela NASA, informa a busca por vida no sistema solar e também pode aumentar a segurança no transporte de gás natural.
A pesquisa, publicada na revista Nexus do PNASsublinha a importância da ciência fundamental no estudo dos sistemas biológicos naturais da Terra e destaca os benefícios da colaboração entre disciplinas.
“Queríamos compreender como é que estas formações permaneciam estáveis sob o fundo do mar e precisamente que mecanismos contribuíam para a sua estabilidade”, disse Glass. “Isso é algo que ninguém fez antes.”
Peneirando sedimentos
O esforço começou com a equipe examinando uma amostra de sedimento argiloso que Glass adquiriu no fundo do mar na costa do Oregon.
Glass levantou a hipótese de que o sedimento conteria proteínas que influenciam o crescimento do clatrato de metano, e que essas proteínas se assemelhariam a proteínas anticongelantes bem conhecidas nos peixes, que os ajudam a sobreviver em ambientes frios.
Mas para confirmar a sua hipótese, Glass e a sua equipa de investigação teriam primeiro de identificar candidatos a proteínas entre milhões de alvos potenciais contidos no sedimento. Eles precisariam então produzir as proteínas em laboratório, embora não houvesse compreensão de como essas proteínas poderiam se comportar. Além disso, ninguém havia trabalhado com essas proteínas antes.
Glass abordou Lieberman, cujo laboratório estuda a estrutura das proteínas. O primeiro passo foi utilizar sequenciamento de DNA aliado à 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 potencialmente se ligar aos clatratos de metano. Huard usou cristalografia de raios X para determinar a estrutura das proteínas.
Criando condições do fundo do mar no laboratório
Huard passou as candidatas a proteínas para Abigail Johnson, ex-Ph.D. estudante no laboratório de Glass e coautor do artigo, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Geórgia. Para testar as proteínas, a própria Johnson formou clatratos de metano recriando a alta pressão e a baixa temperatura do fundo do mar em laboratório. Johnson trabalhou com Sheng Dai, professor associado da Escola de Engenharia Civil e Ambiental, para construir uma câmara de pressão exclusiva do zero.
Johnson colocou as proteínas no recipiente de pressão e ajustou o sistema para imitar as condições de pressão e temperatura necessárias para a formação de clatrato. Ao pressurizar o recipiente com metano, Johnson forçou o metano a entrar na gota, o que causou a formação de uma estrutura de clatrato de metano.
Ela então mediu a quantidade de gás que foi consumido pelo clatrato – um indicador da rapidez e da quantidade de clatrato formado – e fez isso na presença das proteínas versus nenhuma proteína. Johnson descobriu que com as proteínas de ligação ao clatrato, menos gás era consumido e os clatratos fundiam em temperaturas mais altas.
Depois que a equipe validou que as proteínas afetam a formação e estabilidade dos clatratos de metano, eles usaram a estrutura cristalina da proteína de Huard para realizar simulações de dinâmica molecular com a ajuda de James (JC) Gumbart, professor da Escola de Física. As simulações permitiram à equipe identificar o local específico onde a proteína se liga ao clatrato de metano.
Um sistema surpreendentemente novo
O estudo revelou insights inesperados sobre a estrutura e função das proteínas. Os pesquisadores inicialmente pensaram que a parte da proteína que era semelhante às proteínas anticongelantes dos peixes desempenharia um papel na ligação do clatrato. Surpreendentemente, essa parte da proteína não desempenhou nenhum papel e um mecanismo totalmente diferente dirigiu as interações.
Eles descobriram que as proteínas não se ligam ao gelo, mas interagem com a própria estrutura do clatrato, direcionando seu crescimento. Especificamente, a parte da proteína que tinha características semelhantes às proteínas anticongelantes foi enterrada na estrutura da proteína e, em vez disso, desempenhou um papel na estabilização da proteína.
Os pesquisadores descobriram que as proteínas tiveram melhor desempenho na modificação do clatrato de metano do que qualquer uma das proteínas anticongelantes testadas no passado. Eles também tiveram um desempenho tão bom, se não melhor, que os inibidores comerciais tóxicos de clatrato usados atualmente em perfurações que representam sérias ameaças ambientais.
Prevenir a formação de clatratos em gasodutos de gás natural é uma indústria que movimenta bilhões de dólares. Se estas proteínas biodegradáveis pudessem ser utilizadas para evitar fugas desastrosas de gás natural, isso reduziria enormemente o risco de danos ambientais.
“Tivemos muita sorte que isto realmente funcionou, porque embora tenhamos escolhido estas proteínas com base na sua semelhança com as proteínas anticongelantes, elas são completamente diferentes”, disse Johnson. “Eles têm uma função semelhante na natureza, mas o fazem através de um sistema biológico completamente diferente, e acho que isso realmente entusiasma as pessoas”.
Os clatratos de metano provavelmente existem em todo o sistema solar – na subsuperfície de Marte, por exemplo, e em luas geladas no exterior do sistema solar, como Europa. As descobertas da equipa indicam que, se existirem micróbios noutros corpos planetários, poderão produzir biomoléculas semelhantes para reter água líquida em canais no clatrato que poderiam sustentar a vida.
“Ainda estamos aprendendo muito sobre os sistemas básicos do nosso planeta”, 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 projeto de astrobiologia, mas aqui estamos e temos tido muito sucesso. “
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