अरबों टन ग्रीनहाउस गैसें समुद्र के नीचे फंसी हुई हैं और यह अच्छी बात है। महाद्वीप के तट पर, जिसकी ढलान समुद्र में है, बर्फ के छोटे-छोटे पिंजरे मीथेन गैस को पकड़कर रखते हैं, जो इसे बढ़ने और वायुमंडल में छोड़े जाने से रोकते हैं। हालाँकि मीडिया में इसे अक्सर उजागर नहीं किया जाता है, लेकिन मीथेन क्लैथ्रेट्स के रूप में जानी जाने वाली ये संरचनाएँ, जलवायु परिवर्तन पर उनके संभावित प्रभाव के कारण जांच के दायरे में आ गई हैं। अपतटीय ड्रिलिंग कार्यों में, मीथेन बर्फ पाइपों को अवरुद्ध कर सकती है, जिससे वे जम सकते हैं और टूट सकते हैं। ऐसा संदेह है कि 2010 की डीपवाटर होरिजन तेल आपदा मीथेन क्लैथ्रेट के संचय के कारण हुई थी।
मेक्सिको की उत्तरी खाड़ी में समुद्र तल की चट्टानों के नीचे मीथेन क्लैथ्रेट्स (सफेद बर्फ जैसा पदार्थ)। इस तरह के जमाव से संकेत मिलता है कि मीथेन और अन्य गैसें समुद्र तल से होकर समुद्र में चली जाती हैं। छवि स्रोत: एनओएए
लेकिन अब तक, समुद्र तल पर मीथेन गैस कैसे स्थिर रहती है इसकी जैविक प्रक्रियाएँ लगभग पूरी तरह से अज्ञात थीं। एक अभूतपूर्व अध्ययन में, जॉर्जिया टेक शोधकर्ताओं की एक अंतःविषय टीम ने बैक्टीरिया प्रोटीन के एक पूर्व अज्ञात वर्ग की खोज की है जो मीथेन समावेशन परिसरों के निर्माण और स्थिरता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
स्कूल ऑफ अर्थ एंड एटमॉस्फेरिक साइंसेज में एसोसिएट प्रोफेसर जेनिफर ग्लास और स्कूल ऑफ केमिस्ट्री एंड बायोकैमिस्ट्री और सेप्सिक-पफील चेयर में प्रोफेसर रक़ेल लिबरमैन के नेतृत्व में शोध टीम ने दिखाया कि ये नवीन जीवाणु प्रोटीन मीथेन क्लैथ्रेट के विकास को रोकने में उतने ही प्रभावी हैं जितना कि वर्तमान में ड्रिलिंग कुओं में उपयोग किए जाने वाले वाणिज्यिक रसायन, लेकिन गैर-विषैले, पर्यावरण के अनुकूल और स्केलेबल हैं। नासा द्वारा वित्त पोषित उनका शोध, सौर मंडल में जीवन की खोज की जानकारी देता है और प्राकृतिक गैस परिवहन की सुरक्षा में भी सुधार कर सकता है।
पीएनएएस नेक्सस पत्रिका में प्रकाशित अध्ययन, पृथ्वी की प्राकृतिक जैविक प्रणालियों के अध्ययन में बुनियादी विज्ञान के महत्व पर प्रकाश डालता है और अंतःविषय सहयोग के लाभों पर प्रकाश डालता है।
ग्लास ने कहा, "हम यह समझना चाहते थे कि ये संरचनाएं समुद्र तल पर कैसे स्थिर रहती हैं और वास्तव में वे कौन से तंत्र हैं जो उनकी स्थिरता में योगदान करते हैं।" "यह कुछ ऐसा है जो पहले किसी ने नहीं किया है।"
स्क्रीनिंग तलछट
काम की शुरुआत टीम द्वारा मिट्टी जैसी तलछट के नमूनों की जांच करने से हुई, जिसे ग्लास ने ओरेगॉन तट से समुद्र तल से एकत्र किया था।
ग्लास की परिकल्पना है कि तलछट में प्रोटीन होते हैं जो मीथेन क्लैथ्रेट के विकास को प्रभावित करते हैं, मछली में प्रसिद्ध एंटीफ्ीज़ प्रोटीन के समान जो उन्हें ठंडे वातावरण में जीवित रहने में मदद करते हैं।
मीथेन पिंजरे के गोले पर अवरोधकों के रूपात्मक प्रभाव। बाएँ: एक कार्टून जिसमें समावेशन वृद्धि की शुरुआत में और अवरोधकों के साथ और बिना 3 घंटे में मीथेन समावेशन परिसरों के निर्माण को दिखाया गया है। दाएं: प्रत्येक विकास चरण में प्रयोगात्मक मीथेन क्लैथ्रेट की प्रतिनिधि तस्वीरें, उपचार द्वारा लेबल की गई। छवि स्रोत: जॉर्जिया टेक
लेकिन अपनी परिकल्पना की पुष्टि करने के लिए, ग्लास और उसकी शोध टीम को पहले तलछट में निहित लाखों संभावित लक्ष्यों के बीच उम्मीदवार प्रोटीन की पहचान करनी थी। फिर उन्हें प्रयोगशाला में प्रोटीन बनाने की ज़रूरत पड़ी, बावजूद इसके कि वे प्रोटीन कैसे व्यवहार करते हैं, यह समझ में नहीं आया। इसके अलावा, पहले किसी ने भी इन प्रोटीनों का अध्ययन नहीं किया था।
ग्लास ने लिबरमैन से संपर्क किया, जिनकी प्रयोगशाला ने प्रोटीन की संरचना का अध्ययन किया। पहला कदम तलछट में निहित प्रोटीन के जीन की पहचान करने के लिए जैव सूचना विज्ञान के साथ संयुक्त डीएनए अनुक्रमण का उपयोग करना है। लिबरमैन की प्रयोगशाला में एक शोधकर्ता और पेपर के पहले लेखक डस्टिन हुआर्ड ने तब उम्मीदवार प्रोटीन तैयार किया जो मीथेन समावेशन परिसर से बंध सकता है। ह्यूर्ड प्रोटीन की संरचना निर्धारित करने के लिए एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी का उपयोग करता है।
प्रयोगशाला में समुद्र तल की स्थिति बनाना
हुआर्ड ने पूर्व डॉक्टरेट छात्र अबीगैल जॉनसन को उम्मीदवार प्रोटीन दिया। ग्लास लैब में छात्र और पेपर के सह-प्रथम लेखक, अब जॉर्जिया विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता हैं। इन प्रोटीनों का परीक्षण करने के लिए, जॉनसन ने प्रयोगशाला में समुद्र तल के उच्च दबाव और निम्न तापमान को फिर से बनाया, जिससे स्वयं मीथेन क्लैथ्रेट का निर्माण हुआ। जॉनसन ने खरोंच से एक अद्वितीय दबाव कक्ष बनाने के लिए स्कूल ऑफ सिविल एंड एनवायर्नमेंटल इंजीनियरिंग में एसोसिएट प्रोफेसर दाई शेंग के साथ काम किया।
जॉनसन ने प्रोटीन को एक दबाव पात्र में रखा और समावेशन जटिल गठन के लिए आवश्यक दबाव और तापमान की स्थिति का अनुकरण करने के लिए सिस्टम को समायोजित किया। मीथेन के साथ बर्तन पर दबाव डालकर, जॉनसन ने मीथेन को बूंदों में मजबूर कर दिया, जिससे मीथेन क्लैथ्रेट संरचना बन गई।
फिर उसने क्लैथ्रेट्स द्वारा खपत की गई गैस की मात्रा को मापा - यह माप कि प्रोटीन की उपस्थिति और अनुपस्थिति में कितनी जल्दी और कितनी क्लैथ्रेट्स का निर्माण हुआ। जॉनसन ने पाया कि क्लैथ्रेट-बाइंडिंग प्रोटीन का उपयोग करने से कम गैस की खपत होती है और क्लैथ्रेट यौगिक उच्च तापमान पर पिघल जाते हैं।
जब अनुसंधान टीम ने पुष्टि की कि ये प्रोटीन मीथेन समावेशन परिसरों के निर्माण और स्थिरता को प्रभावित करते हैं, तो उन्होंने स्कूल ऑफ फिजिक्स के प्रोफेसर जेम्स (जेसी) गुम्बार्ट की मदद से हुआर्ड के प्रोटीन क्रिस्टल संरचना का उपयोग करके आणविक गतिशीलता सिमुलेशन आयोजित किया। सिमुलेशन ने टीम को उन विशिष्ट साइटों की पहचान करने की अनुमति दी जहां प्रोटीन मीथेन समावेशन परिसर से जुड़ता है।
एक आश्चर्यजनक रूप से नवीन प्रणाली
अध्ययन से प्रोटीन संरचना और कार्य में अप्रत्याशित अंतर्दृष्टि का पता चला। शोधकर्ताओं ने शुरू में सोचा था कि मछली एंटीफ्ीज़ प्रोटीन के समान प्रोटीन का एक हिस्सा समावेशन जटिल बंधन में भूमिका निभाएगा। हैरानी की बात यह है कि प्रोटीन का यह हिस्सा कोई भूमिका नहीं निभाता है और एक पूरी तरह से अलग तंत्र बातचीत को निर्देशित करता है।
उन्होंने पाया कि ये प्रोटीन बर्फ से नहीं जुड़ते हैं बल्कि समावेशन संरचना के साथ बातचीत करते हैं, जिससे इसके विकास को निर्देशित किया जाता है। विशेष रूप से, प्रोटीन के वे हिस्से जिनमें एंटीफ्ीज़ प्रोटीन के समान गुण होते हैं, प्रोटीन संरचना में दबे होते हैं और इसके बजाय प्रोटीन को स्थिर करने का काम करते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि ये प्रोटीन अतीत में परीक्षण किए गए किसी भी एंटीफ्रीज प्रोटीन की तुलना में मीथेन क्लैथ्रेट को संशोधित करने में बेहतर प्रदर्शन करते हैं। वे वर्तमान में ड्रिलिंग में उपयोग किए जाने वाले जहरीले वाणिज्यिक समावेशन जटिल अवरोधकों की तुलना में बेहतर नहीं तो उतना ही अच्छा प्रदर्शन करते हैं, जो पर्यावरण के लिए गंभीर खतरा पैदा करते हैं।
प्राकृतिक गैस पाइपलाइनों में क्लैथ्रेट गठन को रोकना एक बहु-अरब डॉलर का उद्योग है। यदि इन बायोडिग्रेडेबल प्रोटीन का उपयोग विनाशकारी प्राकृतिक गैस रिसाव को रोकने के लिए किया जा सकता है, तो पर्यावरणीय क्षति का जोखिम काफी कम हो जाएगा।
जॉनसन ने कहा, "हम भाग्यशाली थे कि यह वास्तव में काम कर गया क्योंकि हालांकि हमने इन प्रोटीनों को एंटीफ्रीज प्रोटीन की समानता के आधार पर चुना था, लेकिन वे पूरी तरह से अलग हैं।" "प्रकृति में उनके कार्य समान हैं लेकिन वे इसे पूरी तरह से अलग जैविक प्रणालियों के माध्यम से करते हैं, जो मुझे लगता है कि वास्तव में रोमांचक है।"
मीथेन क्लैथ्रेट पूरे सौर मंडल में मौजूद हो सकते हैं - उदाहरण के लिए, मंगल की उपसतह में, और बाहरी सौर मंडल में यूरोपा जैसे बर्फीले चंद्रमाओं पर। टीम के निष्कर्षों से पता चलता है कि यदि अन्य ग्रह पिंडों पर रोगाणु मौजूद हैं, तो वे क्लैथ्रेट्स के चैनलों में तरल पानी बनाए रखने के लिए समान बायोमोलेक्यूल्स का उत्पादन कर सकते हैं, जिससे जीवन का समर्थन हो सकता है।
हुआर्ड ने कहा, "हम अभी भी पृथ्वी पर मूलभूत प्रणालियों के बारे में बहुत कुछ जानते हैं।" "यह जॉर्जिया टेक के बारे में महान चीजों में से एक है - विभिन्न समुदाय वास्तव में अच्छा, अप्रत्याशित विज्ञान करने के लिए एक साथ आ सकते हैं। मैंने कभी नहीं सोचा था कि मैं एक खगोल विज्ञान कार्यक्रम पर काम करूंगा, लेकिन यहां हम हैं, और हम बहुत सफल हैं।"