Menselijke activiteiten veranderen de oceaan op wereldschaal, met zeewater dat in sommige regio's warmer wordt, zuurder, en minder goed gemengd. Een mogelijk gevolg van verminderde oceaanmenging is dat nutriënten, die fungeren als meststof voor zeealgen, nabij het zeeoppervlak minder beschikbaar zouden kunnen komen.

Veel onderzoekers bestuderen hoe deze veranderingen van invloed kunnen zijn op de microscopisch kleine zeealgen die zuurstof leveren aan de atmosfeer van de aarde en de basis vormen voor voedselwebben in de oceaan. Een ding dat wetenschappers zeker weten, is dat de diverse groepen algen verschillend reageren op variaties in oceaanomstandigheden, zowel seizoensgebonden als over langere perioden. Leren hoe deze verschillende groepen reageren, is essentieel om te begrijpen hoe oceaanecosystemen veranderen in perioden van maanden tot decennia.

Helaas, het bestuderen van de reacties van specifieke soorten algen in de open oceaan is erg moeilijk, omdat de oceaanomstandigheden altijd fluctueren, evenals de soorten algen die aanwezig zijn. Om deze reden, wetenschappers hebben zich tot laboratoriumstudies gewend. De meeste van deze onderzoeken hebben betrekking op het kweken van algen in batchculturen. Binnen zulke culturen de algen groeien snel en planten zich voort, maar dan nemen hun populaties af omdat ze voedingsstoffen in het omringende water opgebruiken. Dit betekent dat dergelijke experimenten niet echt de meer stabiele omstandigheden kunnen repliceren die vaak voorkomen in de open oceaan.

Voor meerdere jaren, MBARI-microbioloog Alexandra Worden en haar onderzoeksgroep hebben gewerkt aan een nieuwe manier om algen te kweken in stabiele culturen met behulp van hightech incubatiekamers die 'fotobioreactoren' worden genoemd. Met deze apparaten kunnen de onderzoekers algen kweken onder nauwkeurig gecontroleerde lichtniveaus, temperatuur, en voedingsstoffen.

In een recente reeks experimenten, de onderzoekers stelden de algen wekenlang bloot aan lage concentraties voedingsstoffen. Dergelijke aanhoudend lage nutriëntenconcentraties komen vaak voor in sommige delen van de oceaan, maar zijn niet getest in eerdere laboratoriumexperimenten. Dankzij de recente experimenten konden de onderzoekers in detail de biochemische processen bestuderen die de algen hielpen te acclimatiseren aan omstandigheden met weinig voedingsstoffen. Dergelijke experimenten zouden niet mogelijk zijn geweest met een batchcultuur omdat de algen geleidelijk zouden zijn afgestorven door gebrek aan voedingsstoffen.

Het lab van Worden heeft onlangs een paper gepubliceerd in: Natuur Microbiologie die de resultaten van hun eerste foto-bioreactorexperimenten beschrijven. De eerste auteur op het papier is voormalig MBARI Postdoctoral Fellow Jian Guo. Andere auteurs zijn onder meer een reeks medewerkers, waaronder verschillende auteurs van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Voor deze studie kweekten de wetenschappers een kleine, zwemmende alg genaamd Micromonas commoda onder omstandigheden waarin fosfaat, een belangrijke voedingsstof voor algen, relatief laag werd gehouden. Dit experiment simuleerde omstandigheden in sommige open oceaangebieden, zoals de Sargassozee.

Tijdens het experiment beschreven in hun paper, de onderzoekers gaven de algen eerst veel fosfaat zodat ze snel groeiden. Nadat bijna al het fosfaat in het water is verwijderd, ze verhoogden de fosfaatconcentraties net genoeg om de algen in leven te houden. Op deze manier, de onderzoekers konden de algengroei gedurende vele dagen relatief laag houden, maar constant, fosfaatconcentraties.

Tijdens hun experiment, de onderzoekers trokken kleine algenmonsters en gebruikten geavanceerde genomische technieken om erachter te komen welke genen in de algen meer of minder actief werden onder fosfaatarme en fosfaatarme omstandigheden. Ze gebruikten ook "proteomische analyses" om veranderingen in de soorten eiwitten die door de algen onder verschillende omstandigheden worden geproduceerd, te bestuderen.

Zoals Worden uitlegde, "Deze cellen zijn zo klein dat we niet veel kunnen zeggen als we door een microscoop kijken, dus de genen en eiwitten die ze tot expressie brengen, zijn onze haak in het 'visualiseren' van groei en stress in de oceaan."

De proteomische analyses hielpen de wetenschappers begrijpen hoe veranderingen in nutriëntenconcentraties het vermogen van Micromonas om fotosynthese uit te voeren beïnvloeden. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat onvoldoende voedingsstoffen ervoor kunnen zorgen dat fel zonlicht (zoals dat aan het zeeoppervlak wordt aangetroffen) het fotosynthetische apparaat in algencellen kan beschadigen. Maar het nieuwe onderzoek suggereert dat Micromonas het vermogen heeft om zichzelf tegen dergelijke schade te beschermen. De alg bereikt dit blijkbaar met behulp van een weinig begrepen set eiwitten die de onderzoekers verder hopen te bestuderen.

Een ander ding dat de onderzoekers ontdekten, was dat, na groei met beperkte fosfaatvoorraad, Micromonas kunnen zich snel voortplanten binnen 24 uur na het tegenkomen van hogere fosfaatconcentraties. Dit suggereert dat Micromonas snel kan herstellen van fosfaatbeperking - misschien sneller dan andere soorten algen. Dit kan Micromonas helpen zich snel aan te passen aan veranderingen in zijn omgeving, of om horizontaal of verticaal te worden vervoerd door oceaanstromingen.

De onderzoekers merken op dat sommige van dezelfde eiwitten die de alg helpen groeien onder fosfaatbeperkte omstandigheden, ook helpen de algen te beschermen tegen veranderende lichtniveaus. Dit suggereert dat de processen waarmee algen reageren op veranderingen in de omgeving ingewikkelder kunnen zijn dan onderzoekers eerder hadden vermoed.

Wetenschappers in het laboratorium van Worden breiden deze experimenten uit om te bestuderen hoe zeealgen reageren op veranderingen in andere essentiële voedingsstoffen, zoals stikstof, evenals de gecombineerde effecten van veranderingen in nutriëntenconcentraties samen met veranderingen in oceaantemperatuur en atmosferische koolstofdioxide.

"We zijn verheugd dat we nu een deel van de cellulaire biologie begrijpen achter hoe algen omgaan met seizoensveranderingen, " zei Worden. "Dit geeft ons inzicht in de mechanismen die algen zullen helpen acclimatiseren of zich aanpassen aan toekomstige omstandigheden. Deze bevindingen stellen ons in staat om het veld in te gaan en de realtime-ervaring van algen te onderzoeken met een veel grotere gevoeligheid dan ooit tevoren."