Tim MIT telah menemukan struktur enzim penghasil precursor metana pada mikroba laut. Temuan ini dapat menjelaskan rahasia paradoks metana di lautan, sekaligus menjelaskanihwal pemanasan global.
Berbagai aktivitas industri dan pertanian menghasilkan sejumlah besar metana. Salah satu gas rumah kaca (GRK) yang berkontribusi terhadap pemanasan global. Banyak bakteri juga menghasilkan metana sebagai produk sampingan dari metabolisme mereka. Secara alami, sejumlah metana berasal dari lautan. Ini fenomena yang telah lama membingungkan para ilmuwan karena tidak ada organisme penghasil metana yang tinggal dekat permukaan laut.
Sebuah tim peneliti dari MIT dan University of Illinois di Urbana-Champaign telah membuat sebuah penemuan yang dapat membantu menjawab ihwal paradoks metana lautan ini. Pertama, mereka mengidentifikasi struktur enzim yang dapat menghasilkan senyawa antara –biasa dikenal sebagai precursor—yang kelak diubah menjadi metana. Kedua, mereka menggunakan informasi tersebut untuk menunjukkan bahwa enzim ini ada pada beberapa mikroba laut yang paling melimpah. Mereka percaya bahwa senyawa ini kemungkinan menjadi sumber gas metana dilepaskan ke atmosfer di atas lautan.
Metana hasil laut menghasilkan sekitar 4 persen dari total GRK yang dibuang ke atmosfer. Pemahaman yang lebih baik dari mana asal metana ini dipercaya dapat membantu ilmuwan memperhitungkan perannya dalam perubahan iklim. Demikian tesis peneliti MIIT.
“Memahami siklus karbon global sangat penting, terutama saat membicarakan perubahan iklim,” kata Catherine Drennan, seorang profesor biokimia MIT dan Howard Hughes Medical Institute Investigator. Darimana sebenarnya metana berasal? Bagaimana cara penggunaannya? Serta memahami fluks alami metan lautan adalah informasi penting yang menjadi pertanyaan penelitian mereka.
Drennan dan Wilfred van der Donk, seorang profesor kimia di University of Illinois di Urbana-Champaign, adalah penulis senior makalah yang terbit dalam jurnal Science edisi 7 Desember 2017. Penulis utamanya adalah David Born, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT dan Harvard University, dan Emily Ulrich, seorang mahasiswa pascasarjana di University of Illinois di Urbana-Champaign.
Memecahkan Misteri
Banyak bakteri menghasilkan metana sebagai produk sampingan dari metabolisme mereka. Namun, sebagian besar bakteri ini biasa hidup di lingkungan yang kekurangan oksigen seperti laut dalam atau saluran pencernaan hewan. Alias tidak di habitat dekat permukaan laut.
Beberapa tahun yang lalu, Van der Donk dan William Metcalf, koleganya di University of Illinois, menemukan petunjuk yang mungkin dapat membuka misteri metana laut: Mereka menemukan sebuah enzim mikroba yang menghasilkan senyawa methylphosphonate (MP), yang dapat dikonversi menjadi metana ketika molekul fosfat dibelah darinya. Enzim ini ditemukan dari mikroba yang disebut Nitrosopumilus maritimus, yang tinggal di dekat permukaan laut, namun enzim tersebut tidak mudah diidentifikasi dalam mikroba laut lainnya seperti yang diharapkannya.
Tim Van der Donk mengetahui urutan genetik enzim, yang dikenal sebagai methylphosphonate synthase (MPnS), yang memungkinkan mereka untuk mencari versi lain dari genom mikroba lainnya. Namun, setiap kali mereka menemukan kecocokan potensial, enzim tersebut ternyata merupakan enzim terikat yang disebut hydroxyethylphosphonate dioxygenase (HEPD), yang menghasilkan produk yang sangat mirip dengan methylphosphonate, namun tidak dapat dibelah untuk menghasilkan metana.
Van der Donk meminta Drennan, ahli dalam menentukan struktur kimia protein, jika dia bisa mencoba untuk mengungkapkan struktur MPnS, dengan harapan akan membantu mereka menemukan lebih banyak varian enzim pada bakteri lain.
Untuk menemukan strukturnya, tim MIT menggunakan kristalografi sinar-X, yang mereka lakukan di ruangan khusus tanpa oksigen. Mereka tahu bahwa enzim tersebut memerlukan oksigen untuk mengkatalisis produksi methylphosphonate, jadi dengan menghilangkan oksigen, mereka bisa mendapatkan snapshot dari enzim karena terikat pada reaksi pasangan yang diperlukan, sebelum reaksinya berjalan.
Para peneliti membandingkan data kristalografi dari MPnS dengan enzim HEPD terkait dan menemukan satu perbedaan kecil namun kritis. Di situs aktif kedua enzim (bagian protein yang mengkatalisis reaksi kimia), ada asam amino yang disebut glutamin. Di MPnS, molekul glutamin ini berikatan dengan besi, kofaktor yang diperlukan untuk produksi methylphosphonate. Glutamin tetap dalam orientasi pengikatan besi oleh asam isoleucine besar yang berada di bawah glutamin di MPnS. Namun, pada HEPD, isoleusin digantikan oleh glisin, dan glutamin bebas untuk mengatur ulang sehingga tidak lagi terikat pada zat besi.
“Kami mencari perbedaan yang akan menghasilkan produk yang berbeda, dan itulah satu-satunya perbedaan yang kami lihat,” kata Born. Selanjutnya, para peneliti menemukan bahwa mengubah glisin di HEPD menjadi isoleucine cukup untuk mengubah enzim menjadi MPnS.
Enzim yang Melimpah
Dengan mencari database urutan genetik dari ribuan mikroba, para peneliti kemudian menemukan ratusan enzim dengan konfigurasi struktural yang sama terlihat pada enzim MPnS aslinya. Selanjutnya, semua ini ditemukan di mikroba yang hidup di laut, dan satu ditemukan pada strain mikroba laut yang sangat melimpah yang dikenal sebagai Pelagibacter ubique.
“Hasil menarik ini didasarkan pada penelitian sebelumnya yang terkait yang menunjukkan bahwa metabolisme methylphosphonate dapat menyebabkan pembentukan metana di lautan beroksigen. Karena metana adalah gas rumah kaca yang ampuh dengan sumber yang kurang dipahami dan tenggelam di permukaan laut, hasil penelitian ini akan memfasilitasi pemahaman yang lebih komprehensif tentang siklus methylphosphonate di alam, ” jelas David Karl, seorang profesor oseanografi di Universitas dari Hawaii, yang tidak terlibat dalam penelitian.
Masih belum diketahui apa sebenarnya fungsi enzim MPnS dan produk katalisnya dalam bakteri laut. Metilfosfonat diyakini dimasukkan ke dalam molekul lemak yang disebut fosfonolipid, yang mirip dengan fosfolipid yang membentuk selaput sel.
“Fungsi fosfonolipid ini tidak mapan, meski sudah diketahui sekitar puluhan tahun. Itu pertanyaan yang sangat menarik untuk dicari jawabannya, ” kata David A Born. “Sekarang kita tahu mereka diproduksi dalam jumlah banyak, terutama di lautan, tapi sebenarnya kita tidak tahu sebenarnya apa yang mereka lakukan atau bagaimana mereka menguntungkan pertumbuhan organisme sejenisnya.”
David A Born
Pertanyaan kunci lainnya adalah bagaimana produksi metana oleh organisme ini dipengaruhi oleh kondisi lingkungan di lautan, termasuk suhu dan polusi seperti limpasan pupuk anorganik.
“Kita tahu bahwa pembelahan methylphosphonate terjadi ketika mikroba kekurangan fosfor, tapi kita perlu mencari tahu nutrisi apa yang terkandung dalam hal ini, dan bagaimana yang terhubung dengan pH lautan, dan bagaimana kaitannya dengan suhu lautan, ” tambah Drennan. “Kami membutuhkan semua informasi itu untuk bisa memikirkan apa yang sedang kami lakukan, jadi kami bisa membuat keputusan cerdas untuk melindungi lautan.”
Berjudul Structural basis for Methylphosphonate Biosynthesis, penelitian David A Born dan koleganya didanai oleh National Institutes of Health dan Howard Hughes Medical Institute.
Dedi Junaedi
