Des milliards de tonnes de gaz à effet de serre sont piégées sous la mer, et c’est une bonne chose. Le long de la côte du continent, qui descend vers l'océan, de minuscules cages de glace retiennent le méthane en place, l'empêchant de monter et d'être rejeté dans l'atmosphère. Bien que peu médiatisées, ces formations, connues sous le nom de clathrates de méthane, font l’objet d’une attention particulière en raison de leur impact possible sur le changement climatique. Lors des opérations de forage offshore, la glace de méthane peut obstruer les canalisations, les faisant geler et se rompre. La catastrophe pétrolière de Deepwater Horizon en 2010 est soupçonnée d'avoir été causée par l'accumulation de clathrates de méthane.
Clathrates de méthane (matériau semblable à de la glace blanche) sous les roches du fond marin dans le nord du golfe du Mexique. De tels dépôts indiquent que le méthane et d’autres gaz traversent les fonds marins et pénètrent dans l’océan. Source de l'image : NOAA
Mais jusqu’à présent, les processus biologiques par lesquels le méthane reste stable sur le fond marin étaient presque totalement inconnus. Dans une étude révolutionnaire, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de Georgia Tech a découvert une classe jusqu'alors inconnue de protéines bactériennes qui jouent un rôle essentiel dans la formation et la stabilité des complexes d'inclusion de méthane.
L'équipe de recherche, dirigée par Jennifer Glass, professeure agrégée à l'École des sciences de la terre et de l'atmosphère, et Raquel Lieberman, professeur à l'École de chimie et de biochimie et titulaire de la chaire Sepcic-Pfeil, a montré que ces nouvelles protéines bactériennes sont aussi efficaces pour inhiber la croissance des clathrates de méthane que les produits chimiques commerciaux actuellement utilisés dans les puits de forage, mais sont non toxiques, respectueuses de l'environnement et évolutives. Leurs recherches, financées par la NASA, éclairent la recherche de vie dans le système solaire et pourraient également améliorer la sécurité du transport du gaz naturel.
L'étude, publiée dans la revue PNAS Nexus, souligne l'importance de la science fondamentale dans l'étude des systèmes biologiques naturels de la Terre et met en évidence les avantages de la collaboration interdisciplinaire.
"Nous voulions comprendre comment ces formations restent stables sur le fond marin et quels sont exactement les mécanismes qui contribuent à leur stabilité", a expliqué Glass. "C'est quelque chose que personne n'a fait auparavant."
Dépistage des sédiments
Le travail a commencé avec l’examen par l’équipe d’échantillons de sédiments argileux que Glass a collectés sur le fond marin au large de la côte de l’Oregon.
Glass émet l'hypothèse que les sédiments contiennent des protéines qui influencent la croissance des clathrates de méthane, similaires aux protéines antigels bien connues des poissons qui les aident à survivre dans des environnements froids.
Effets morphologiques des inhibiteurs sur les coques des cages à méthane. À gauche : une caricature montrant la formation de complexes d'inclusion de méthane au début de la croissance des inclusions et à 3 heures avec et sans inhibiteurs. À droite : photographies représentatives de clathrates de méthane expérimentaux à chaque stade de croissance, étiquetés par traitement. Source de l'image : Georgia Tech
Mais pour confirmer son hypothèse, Glass et son équipe de recherche ont d’abord dû identifier des protéines candidates parmi les millions de cibles potentielles contenues dans le sédiment. Ils ont ensuite dû fabriquer les protéines en laboratoire, même s’ils ne comprenaient pas comment ces protéines se comportaient. De plus, personne n’avait étudié ces protéines auparavant.
Glass a contacté Lieberman, dont le laboratoire a étudié la structure des protéines. La première étape consiste à utiliser le séquençage de l’ADN combiné à la bioinformatique pour identifier les gènes des protéines contenues dans le sédiment. Dustin Huard, chercheur au laboratoire de Lieberman et premier auteur de l'article, a ensuite préparé des protéines candidates susceptibles de se lier au complexe d'inclusion de méthane. Huard utilise la cristallographie aux rayons X pour déterminer la structure des protéines.
Créer des conditions de fond marin en laboratoire
Huard a donné la protéine candidate à l’ancienne doctorante Abigail Johnson. étudiant au laboratoire de Glass et co-premier auteur de l'article, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Géorgie. Pour tester ces protéines, Johnson a recréé en laboratoire les hautes pressions et les basses températures du fond océanique, formant lui-même des clathrates de méthane. Johnson a travaillé avec Dai Sheng, professeur agrégé à l'École de génie civil et environnemental, pour construire une chambre de pression unique à partir de zéro.
Johnson a placé la protéine dans un récipient sous pression et a ajusté le système pour simuler les conditions de pression et de température requises pour la formation du complexe d'inclusion. En pressurisant le récipient avec du méthane, Johnson a forcé le méthane dans les gouttelettes, formant une structure de clathrate de méthane.
Elle a ensuite mesuré la quantité de gaz consommée par les clathrates – une mesure de la rapidité et de la quantité de clathrates formés – en présence et en l’absence de protéines. Johnson a découvert qu'en utilisant des protéines liant le clathrate, moins de gaz était consommé et les composés de clathrate fondaient à des températures plus élevées.
Lorsque l'équipe de recherche a confirmé que ces protéines affectaient la formation et la stabilité des complexes d'inclusion de méthane, elle a mené des simulations de dynamique moléculaire en utilisant la structure cristalline des protéines de Huard avec l'aide de James (JC) Gumbat, professeur à l'École de physique. Les simulations ont permis à l'équipe d'identifier les sites spécifiques où la protéine se lie au complexe d'inclusion de méthane.
Un système étonnamment nouveau
L’étude a révélé des informations inattendues sur la structure et la fonction des protéines. Les chercheurs pensaient initialement qu’une partie de la protéine similaire aux protéines antigel du poisson jouerait un rôle dans la liaison du complexe d’inclusion. Étonnamment, cette partie de la protéine ne joue aucun rôle et un mécanisme totalement différent dirige l’interaction.
Ils ont découvert que ces protéines ne se lient pas à la glace mais interagissent avec la structure d'inclusion elle-même, dirigeant sa croissance. Plus précisément, les parties de la protéine qui ont des propriétés similaires à celles des protéines antigel sont enfouies dans la structure protéique et servent plutôt à stabiliser la protéine.
Les chercheurs ont découvert que ces protéines étaient plus efficaces pour modifier les clathrates de méthane que n’importe quelle protéine antigel testée dans le passé. Leurs performances sont aussi bonnes, sinon meilleures, que les inhibiteurs toxiques du complexe d'inclusion commercial actuellement utilisés dans le forage, qui constituent une menace sérieuse pour l'environnement.
La prévention de la formation de clathrates dans les gazoducs est une industrie de plusieurs milliards de dollars. Si ces protéines biodégradables pouvaient être utilisées pour prévenir des fuites catastrophiques de gaz naturel, le risque de dommages environnementaux serait considérablement réduit.
"Nous avons eu de la chance que cela ait réellement fonctionné car, même si nous avons sélectionné ces protéines en fonction de leur similitude avec les protéines antigel, elles sont complètement différentes", a déclaré Johnson. "Ils ont des fonctions similaires dans la nature, mais ils le font à travers des systèmes biologiques complètement différents, ce que je trouve vraiment excitant."
Les clathrates de méthane peuvent exister dans tout le système solaire, par exemple dans le sous-sol de Mars et sur les lunes glacées du système solaire externe, comme Europe. Les découvertes de l'équipe suggèrent que si les microbes existaient sur d'autres corps planétaires, ils pourraient produire des biomolécules similaires pour retenir l'eau liquide dans les canaux des clathrates, favorisant ainsi la vie.
"Nous en savons encore beaucoup sur les systèmes fondamentaux de la Terre", a déclaré Huard. "C'est l'une des grandes choses de Georgia Tech : différentes communautés peuvent se réunir pour faire des recherches scientifiques vraiment intéressantes et inattendues. Je n'aurais jamais pensé travailler sur un programme d'astrobiologie, mais nous y sommes et nous avons beaucoup de succès."