En dat biedt hoop voor de toekomst.

Wie aan broeikasgassen denkt, denkt waarschijnlijk meteen aan koolstofdioxide. Maar na CO2 is methaan het belangrijkste broeikasgas dat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Methaan is over een periode van twintig jaar zelfs 84 keer slechter voor het milieu dan koolstofdioxide. Nu bestaan er wel veelbelovende bacteriën die het gevaarlijke broeikasgas kunnen omzetten in bruikbare brandstof. En dat proces proberen onderzoekers in een nieuwe studie beter te doorgronden.

Meer over metaan
Sinds de Industriële revolutie is er veel methaan in de atmosfeer gepompt. De atmosferische concentratie is sindsdien zelfs meer dan verdubbeld. En dat terwijl methaan een vervuilend broeikasgas is dat de gezondheid van mensen en ecosystemen aantast. Hoewel het gas in mindere mate op aarde aanwezig is dan CO2, is het wel veel krachtiger; als broeikasgas is het zelfs 28 keer zo sterk. Daarom hebben kleinere hoeveelheden al een groot effect op de atmosferische temperatuur. Het meeste methaan op aarde wordt geproduceerd door micro-organismen die organisch materiaal in methaan omzetten in zuurstofarme gebieden. Dit gebeurt bijvoorbeeld in drasland, in de magen van koeien of op rijstvelden. Ook wordt een aanzienlijk deel geproduceerd door menselijke activiteiten, waaronder landbouw (zoals rijstvelden en veeteelt), fossiele brandstoffen, stortplaatsen en verbranding van biomassa.

‘Methaan-etende’ bacteriën kunnen jaarlijks wel 30 miljoen ton (!) methaan uit hun omgeving opnemen. Vervolgens zetten ze dit om in methanol, een stof die goed als brandstof kan dienen. Hoewel dat veelbelovend klinkt, weten we eigenlijk nog heel weinig over hoe de bacteriën dat precies doen. Als we dit kunstje echter van deze bacteriën willen afkijken, zullen we er toch het fijne over moeten weten.

Enzym
Bekend is dat de methaan-etende bacteriën met behulp van een enzym – pMMO genaamd – de reactie aanwakkeren. Maar hoe dit enzym precies te werk gaat, weten we niet. En dat is een cruciaal stukje van de puzzel. “Als we niet precies begrijpen hoe het enzym de moeilijke chemie uitvoert, kunnen we het niet ontwikkelen en optimaliseren voor biotechnologische toepassingen,” aldus onderzoeker Amy Rosenzweig.

Eerdere studies
Wetenschappers hebben al wel verwoede pogingen gedaan om het enzym te bestuderen. Dit is echter een bijzonder moeilijk eiwit om te analyseren, omdat het is ingebed in het celmembraan van de bacteriën. Wanneer wetenschappers de bacteriën onderzoeken, gebruiken ze doorgaans een vrij hardvochtige techniek, waarbij de eiwitten met een bepaalde giftige oplossing uit de celmembranen worden gerukt. Hoewel hierdoor het enzym effectief wordt geïsoleerd, doodt het ook alle enzymactiviteit en beperkt het de hoeveelheid informatie die onderzoekers kunnen verzamelen.

Nieuwe techniek
In de nieuwe studie besloten de onderzoekers het anders aan te pakken. Zo vroegen ze zich af of het zou kunnen werken om het enzym in een membraan in te brengen dat lijkt op zijn natuurlijke omgeving. Het team gebruikte lipiden van de bacteriën om een membraan te vormen in een beschermd deeltje dat een nanodisc wordt genoemd – een synthetisch model dat helpt bij de studie van membraaneiwitten – en sloot het enzym vervolgens in dat membraan in. “Door de natuurlijke omgeving van het enzym in de nanodisc na te bootsen, konden we de activiteit van het enzym herstellen,” legt onderzoeker Christopher Koo uit.

Atomaire structuren
De onderzoekers slaagden er dankzij hun vernuftige techniek in om de structuur van het actieve enzym in hoge resolutie te visualiseren. “We waren in staat om zelfs atomaire details te zien,” aldus Rosenzweig. Het betekent dat de onderzoekers nu belangrijke structuren hebben ontdekt die het omzettingsproces aansturen. En door die structuren bloot te leggen, kunnen ingenieurs het gehele proces op den duur nabootsen.

Vragen
Het betekent dat de nieuw ontdekte structuren een nieuw startpunt zijn om vragen te beantwoorden die zich tot nu toe maar bleven opstapelen. Als die vragen zijn beantwoord, is het team van plan om het enzym met behulp van een geavanceerde beeldvormingstechniek rechtstreeks in de bacteriële cel te bestuderen. Als dat lukt, kunnen wetenschappers precies zien hoe het enzym in het celmembraan is gerangschikt, bepalen hoe het te werk gaat in zijn echt natuurlijke omgeving en leren of andere eiwitten rond het enzym ook een rol spelen. Deze ontdekkingen zouden uiteindelijk de belangrijke ontbrekende schakel voor ingenieurs kunnen zijn.

Al met al begint de bacterie die het gevaarlijke broeikasgas methaan omzet in brandstof, langzaam maar zeker zijn geheimen vrij te geven. De studie brengt dan ook de ontwikkeling van door de mens gemaakte biologische katalysatoren die methaangas omzetten in methanol weer een stapje dichterbij.