Скрытый фактор резкого роста метана на Земле: захватывающая история о том, как CRISPR помогает разгадать тайны газового следа

В последние годы концентрация метана — одного из самых мощных парниковых газов — стремительно растёт. Искать ответ, почему это происходит, сложно. Метан поступает из разных источников: болот, рисовых полей, свалок, коровьих желудков и других анаэробных сред. Эти микросреды населены метаногенами — микроорганизмами из домена архей, которые, живя без кислорода, превращают простые органические вещества в метан. Они ответственны примерно за две трети всех выбросов атмосферного метана.

Углеродный диоксид и его климатическую роль учёные умеют отслеживать довольно точно — вплоть до отдельных источников. Но метан сложнее: его происхождение часто соотносят с изотопным составом — соотношением углерода-12 и 13, водорода-1 и дейтерия. Это как уникальный «отпечаток» метана в зависимости от среды и организма, который его произвёл.

Что нового открыло исследование UC Berkeley?

Учёные впервые применили технологию CRISPR, чтобы направленно снизить активность ключевого фермента, отвечающего за образование метана — метил-коэнзим М редуктазы (MCR). Это позволило им увидеть, как изменяется изотопный состав метана в зависимости не только от источника питания метаногенов, но и от их внутреннего метаболического состояния. Результаты опубликованы в журнале Science в августе 2025 года.

Почему это важно?

Доктор Джонатан Гропп, постдок UC Berkeley, поясняет: при оценке углеродного цикла, всё сходится с атмосферными измерениями. Но по метану — возникает погрешность в несколько десятков процентов, что затрудняет определение вклада каждого источника. Чтобы точно рассчитать источники, надо глубже понимать, как метан формирует свой изотопный «отпечаток».

Соавторка исследования, Дипти Найак, добавляет: метан действительно растёт в атмосфере, но причины до сих пор спорные. Эта работа впервые соединяет молекулярную биологию и изотопную биогеохимию и помогает понять, как биология метаногенов влияет на изотопный состав метана.

Что такое изотопный «отпечаток» метана?

Большинство атомов углерода — лёгкие 12С (около 99 %), а тяжёлые 13С около 1 %. У водорода тоже есть лёгкая разновидность (1 H) — 99,985 % — и тяжелая, дейтерий (2 H) — 0,015 %.

Разные процессы и организмы создают метан с разными наборами изотопов. Например:

• Природный газ (нафта) — одни соотношения;

• Метан из коровьего желудка — другие;

• Метан, образующийся в морских отложениях — ещё другие.

Учёные ранее полагали, что всё зависит от «чем питаются» метаногены. Но оказалось — это не весь ответ.

Как работает CRISPR в этой истории

Дипти Найак и её коллеги создали штамм Methanosarcina acetivorans, у которого можно «убавлять громкость» фермента MCR. Этот организм обычно строит метан из ацетата или метанола, используя MCR.

Когда активность фермента снижена, микроб реагирует: активируются другие ферменты, и реакция становится медленнее. При этом они начинают работать «туда и обратно» — как будто переключаются в реверс, и цепляют водородный атом из воды, а не только из пищевого субстрата. В итоге четыре атома водорода в молекуле метана начинают отражать не только подпитку со «своей еды», но и водяной водород, то есть меняют свой изотопный состав.

Это ломает прежние предположения, что обмена с водой не происходит. Изменения в составе изотопов — следствие метаболического состояния, а не только источника питания.

Что это значит для климатологии

Учёные предполагали, что метаногены, питающиеся ацетатом и метанолом, дают определённый изотопный «оттиск». Но теперь понятно, что при изменении условий (например, нехватка еды, стресс) изотопный состав может измениться. Это значит, что доля ацетат-питающихся метаногенов в глобальном метановом бюджете могла быть недооценена — они могут быть более значимы, чем считалось.

Также открывается новый путь объединения молекулярной биологии и изотопной геохимии для изучения биогеологии прошлого и настоящего: контролируя экспрессию генов, можно наблюдать изменения стабильных изотопов и разобраться, как живые процессы влияют на атмосферу.

Для Найак это ещё и практический шаг: потенциально можно перенаправить метаболизм метаногенов так, чтобы они не производили метан, а генерировали что-то полезное, отбирая электроны в другой путь.

Контекст и перспективы

Цифры по росту метана тревожны: по данным NOAA, концентрация атмосферного метана увеличилась примерно на 9 ppb за 2024 год. Причём наблюдения давно превышают оценки эмиссий от человека — это говорит об «слепых зонах», вероятно связанных с природными источниками, такими как болота, особенно в тропиках и при таянии вечной мерзлоты.

Новые исследования, как это от UC Berkeley, могут помочь объяснить, почему мы видим больше метана, чем думаем, помогая уточнить климатические модели и усилить стратегии по снижению выбросов.

Чуть более глубокий вывод

1. Метаногены отвечают за 2/3 метана в атмосфере — ключевые игроки.

2. Изотопный состав метана — важный инструмент, но модель требует коррекции: важно не только откуда питание у метаногенов, но и как они функционируют.

3. CRISPR показал путь для точного исследования и изменения метаболизма, что может позволить и сместить изотопный «отпечаток», и перенаправить энергию на полезные продукты.

4. Климатологи и экологические политики получат более точные данные для оценки источников метана, что поможет бороться с климатическим кризисом.