Une équipe interdisciplinaire de scientifiques du Collège d'agriculture et du Collège des lettres et des sciences de l'Université d'État du Montana a récemment publié une recherche jetant un nouvel éclairage sur un élément jusqu'alors inconnu du cycle du carbone, grâce aux données recueillies dans le parc national de Yellowstone sur plus d'une décennie.

Tim McDermott, professeur au Département des ressources foncières et des sciences de l'environnement de la MSU, a commencé à étudier la microbiologie du lac Yellowstone en 2007. Tout en collectant des données pour analyser la chimie du lac et l'interaction de divers microbes dans le lac avec les caractéristiques thermiques sous-jacentes du parc, McDermott remarqua que quelque chose n'allait pas.

"Nous sommes tombés sur des chimies de gaz d'eau de lac qui n'avaient aucun sens, " a déclaré McDermott. "Nous voyions beaucoup de méthane dans des endroits auxquels nous ne nous attendions pas et nous nous demandions, 'que se passe t-il ici?'"

Cette divergence a illustré ce que l'on a appelé le « paradoxe du méthane ». Pendant des années, les scientifiques ont compris que lorsque les micro-organismes produisent du méthane, ils le font en anaérobie, ce qui signifie qu'ils n'utilisent pas d'oxygène. Mais dans les eaux de surface du lac où l'équipe voyait du méthane, aucun de ces organismes n'a été trouvé.

Le méthane est un gaz naturel composé d'atomes de carbone et d'hydrogène. C'est le sous-produit d'un certain nombre de processus biologiques, bien que les activités humaines comme l'extraction du charbon et le raffinage du gaz naturel produisent également du méthane. C'est un gaz à effet de serre connu pour être beaucoup plus puissant pour piéger la chaleur dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone, c'est pourquoi de nombreux chercheurs s'intéressent à identifier où dans la biosphère il est créé et où il va.

C'est ainsi qu'a commencé un effort de collaboration de plusieurs années avec John Dore, également du Département des ressources foncières et des sciences de l'environnement; Brian Bothner et Roland Hatzenpichler du Département de chimie et biochimie; et Qian Wang, professeur adjoint de recherche au Département de microbiologie et de biologie cellulaire. L'étude fait l'objet d'un nouvel article publié cette semaine dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences intitulé "Synthèse aérobie bactérienne du méthane".

Wang a dirigé les travaux à Yellowstone Lake pendant cinq étés de collecte et d'analyse de données.

"Au début, nous n'avons pas réalisé ce qui se passait, " dit-elle. " Mais quand nous avons fait l'extraction d'ADN de l'eau du lac, il s'avère que nous n'avons pas pu trouver les organismes anaérobies qui sont généralement responsables de la présence de méthane. Au lieu, nous avons découvert que des bactéries aérobies étaient impliquées, isoler une bactérie appelée Acidovorax, ce qui nous a ensuite permis de commencer à comprendre ce processus."

Le groupe du laboratoire Bothner a utilisé un équipement analytique pour identifier la présence de méthylamine et de glycine bétaïne dans l'eau du lac, biochimiques, l'équipe a émis l'hypothèse qu'ils étaient essentiels au processus de production de méthane. Pour tester la théorie, Wang a déterminé quel gène la bactérie Acidovorax avait besoin pour convertir la méthylamine ou la glycine bétaïne en méthane.

"Nous pouvons décomposer cela en une découverte fondamentale sur la conversion de la méthylamine en méthane dans des conditions aérobies, " a déclaré McDermott. "Scientifiquement, cela n'était pas censé se produire sur la base de toutes les connaissances que nous avions. Donc, nous sommes passés par un processus d'élimination pour identifier comment et pourquoi cela se produisait et c'est un autre exemple de découvertes fondamentales faites à partir de la recherche de Yellowstone."

Grâce à une série d'expériences microbiennes et à une analyse approfondie de la communauté biologique plus large présente dans les échantillons du lac, Wang a identifié un gène connu qui code l'aspartate aminotransférase, ou AAT, qui semblait catalyser la synthèse du méthane.

L'étape suivante consistait à voir si l'enzyme AAT elle-même était capable de catalyser la conversion de la méthylamine en méthane. Pour faire ça, Wang a isolé le gène, transféré à E. coli, qui est couramment utilisé par les microbiologistes et les biochimistes en raison de sa capacité à exprimer des gènes étrangers; McDermott a comparé cela à l'insertion d'une cassette dans un lecteur.

Une cellule commune d'E. coli, a expliqué Wang, ne peut pas convertir la méthylamine en méthane. Mais lorsqu'il est doté du gène AAT, ça pourrait.

"Il est rare de nos jours de tomber sur quelque chose qui ne peut pas être expliqué par notre compréhension actuelle de la biochimie, ", a déclaré Bothner. "Cela en a fait un projet intéressant et stimulant sur lequel travailler."

L'ampleur de la découverte ne peut pas être surestimée, dit Bothner. Le fait que la synthèse aérobie du méthane puisse se produire est un changement sismique dans le domaine de la biogéochimie. Le méthane étant un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le dioxyde de carbone, les scientifiques sont intéressés à identifier où dans la biosphère il est créé et où il va. Ce projet, il a dit, crée un tremplin pour des recherches approfondies et approfondies dans le parc national de Yellowstone et au-delà.

"Il s'agit d'un processus fondamentalement différent de la synthèse anaérobie du méthane, " a déclaré McDermott. " Dans un sens écologique, il est logique de penser que cela se produit dans toute la biosphère, pas seulement dans le lac Yellowstone. Il est concevable de penser que cela se produit même à travers les océans du monde et dans le monde entier."