数十亿吨温室气体被困在海底，这是一件好事。 沿着大陆海岸，斜坡下降到海洋中，微小的冰笼将甲烷气体固定在适当的位置，防止其上升并释放到大气中。尽管媒体并不经常强调，但这些被称为甲烷包合物的形成物由于可能对气候变化产生影响而受到密切关注。 在海上钻井作业中，甲烷冰会堵塞管道，导致管道冻结和破裂。 2010年的深水地平线石油灾难被怀疑是由于甲烷包合物的积累造成的。

墨西哥湾北部海底岩石下的甲烷包合物（白色冰状物质）。 此类沉积物表明甲烷和其他气体穿过海底并进入海洋。 图片来源：NOAA

但到目前为止，甲烷气体如何在海底保持稳定的生物过程几乎完全未知。 在一项突破性研究中，佐治亚理工学院研究人员组成的跨学科团队发现了一类以前未知的细菌蛋白，它们在甲烷包合物的形成和稳定性中发挥着至关重要的作用。

由地球与大气科学学院副教授 Jennifer Glass 和化学与生物化学学院教授兼 Sepcic-Pfeil 主席 Raquel Lieberman 领导的研究小组表明，这些新型细菌蛋白能够有效抑制甲烷包合物的生长与目前用于钻井的商业化学品一样，但无毒、环保且可扩展。 他们的研究由美国宇航局资助，为在太阳系中寻找生命提供了信息，并且还可以提高天然气运输的安全性。

这项研究发表在《PNAS Nexus》杂志上，强调了基础科学在研究地球自然生物系统中的重要性，并强调了跨学科合作的好处。

格拉斯说：“我们想了解这些地层如何在海底保持稳定，以及到底是什么机制有助于它们的稳定。这是以前没有人做过的事情。”

筛选沉积物

这项工作首先是团队检查了格拉斯从俄勒冈州海岸附近的海底采集的粘土状沉积物样本。

格拉斯假设沉积物中含有影响甲烷笼形物生长的蛋白质，这些蛋白质类似于鱼类中众所周知的抗冻蛋白质，有助于它们在寒冷的环境中生存。

抑制剂对甲烷笼形壳的形态影响。 左图：一幅卡通图，展示了在使用和不使用抑制剂的情况下，在包合物生长开始时和3小时时甲烷包合物的形成。 右：每个生长阶段的实验甲烷包合物的代表性照片，按处理标记。 图片来源：佐治亚理工学院

但为了证实她的假设，格拉斯和她的研究团队首先必须从沉积物中包含的数百万个潜在目标中识别出候选蛋白质。 然后他们需要在实验室中制造蛋白质，尽管不了解这些蛋白质的行为方式。 而且，之前没有人研究过这些蛋白质。

格拉斯找到了利伯曼，他的实验室研究蛋白质的结构。 第一步是利用 DNA 测序与生物信息学相结合来识别沉积物中所含蛋白质的基因。 利伯曼实验室的研究员、该论文的第一作者达斯汀·华德 (Dustin Huard) 随后制备了可能与甲烷包合物结合的候选蛋白质。 Huard 使用 X 射线晶体学来确定蛋白质的结构。

在实验室中创造海底条件

华德将候选蛋白质交给了前博士生阿比盖尔·约翰逊 (Abigail Johnson)。 格拉斯实验室的学生和该论文的共同第一作者，现在是佐治亚大学的博士后研究员。 为了测试这些蛋白质，约翰逊在实验室中重现了海底的高压和低温，自己形成了甲烷包合物。 约翰逊与土木与环境工程学院副教授戴盛合作，从头开始建造了一个独特的压力室。

约翰逊将蛋白质放入压力容器中，并调整系统以模拟包合物形成所需的压力和温度条件。 通过用甲烷对容器加压，约翰逊将甲烷压入液滴中，从而形成甲烷包合物结构。

然后，她测量了包合物消耗的气体量（衡量包合物形成速度和数量的指标），并在有蛋白质存在和无蛋白质存在的情况下进行测量。 约翰逊发现，使用笼形结合蛋白，消耗的气体更少，并且笼形化合物在更高的温度下熔化。

当研究小组证实这些蛋白质会影响甲烷包合物的形成和稳定性后，他们在物理学院教授 James (JC) Gumbart 的帮助下，利用 Huard 的蛋白质晶体结构进行了分子动力学模拟。 模拟使研究小组能够识别蛋白质与甲烷包合物结合的特定位点。

一个令人惊讶的新颖系统

这项研究揭示了对蛋白质结构和功能的意想不到的见解。 研究人员最初认为该蛋白质中与鱼类抗冻蛋白相似的部分将在包合物结合中发挥作用。 令人惊讶的是，蛋白质的这一部分没有发挥作用，并且完全不同的机制指导了相互作用。

他们发现这些蛋白质不与冰结合，而是与包合物结构本身相互作用，指导其生长。 具体来说，蛋白质中与抗冻蛋白具有相似特性的部分被埋藏在蛋白质结构中，反而起到了稳定蛋白质的作用。

研究人员发现，这些蛋白质在修饰甲烷笼形物方面比过去测试过的任何抗冻蛋白质表现更好。 它们的性能即使不是更好，也与目前用于钻井的有毒商业包合物抑制剂一样好，这些抑制剂对环境造成严重威胁。

防止天然气管道中形成笼形物是一个价值数十亿美元的产业。 如果这些可生物降解的蛋白质可以用来防止灾难性的天然气泄漏，那么将大大降低环境破坏的风险。

“我们很幸运，这确实有效，因为尽管我们根据这些蛋白质与抗冻蛋白质的相似性来选择这些蛋白质，但它们是完全不同的，”约翰逊说。 “它们在自然界中具有相似的功能，但通过完全不同的生物系统实现这一点，我认为这确实令人兴奋。”

甲烷包合物可能存在于整个太阳系中——例如，在火星的地下，以及太阳系外层的冰冷卫星上，例如木卫二。 研究小组的发现表明，如果微生物存在于其他行星体上，它们可能会产生类似的生物分子，以将液态水保留在包合物的通道中，从而维持生命。

“我们仍然对地球上的基本系统了解很多，”华德说。 “这是佐治亚理工学院的伟大之处之一——不同的社区可以聚集在一起进行非常酷的、意想不到的科学研究。 我从没想过我会从事天体生物学项目，但我们来了，而且我们非常成功。”