Charles Darwin vermoedde iets in het "helderblauwe water" van de oceaan dat nog kleiner was dan de protozoa die hij onder de microscoop kon zien. "Tegenwoordig weten we dat elke liter oceaanwater wemelt van honderden miljoenen micro-organismen, " legt marien onderzoeker Rudolf Amann uit, Directeur van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen. Zijn collega Tobias Erb van het zusterinstituut voor terrestrische microbiologie in Marburg voegt toe:"Hoewel slechts micrometers groot, de micro-organismen met hun enorme aantal en hoge metabolisme hebben een sterke invloed op de energiestroom en biomassa-omzet in de oceanen."

Terwijl de eencellige algen, ook wel fytoplankton genoemd, converteren CO ₂ in biomassa, andere micro-organismen komen in actie wanneer de algen de vaste koolstof uitscheiden - hetzij tijdens hun leven, of wanneer ze sterven - soms massaal, zoals na de zogenaamde algenbloei. Ook in oppervlaktewater eencellige organismen verwerken vele duizenden tonnen algenbiomassa:een centraal proces in de mariene levenscyclus. Een van de belangrijkste verbindingen in de oceaan is glycolzuur, een direct bijproduct van fotosynthese dat deels weer wordt omgezet in CO ₂ door mariene bacteriën. Maar hier, het beeld wordt wazig - het exacte lot van de koolstof in glycolzuur was tot nu toe onbekend.

Om tot een bruikbare beoordeling van de wereldwijde koolstofcyclus te komen, echter, de vergelijking mag niet te veel onbekenden hebben. Zoals we vandaag weten, te veel CO ₂ beïnvloedt het leven in de oceaan. Verhoogde concentraties CO ₂ in zeewater de oceanen verzuren, het evenwicht tussen fytoplankton en micro-organismen verstoren en uiteindelijk het mondiale klimaat beïnvloeden. Om de gevolgen voor klimaatverandering op wereldschaal te begrijpen, een nauwkeurige kennis van de bacteriële afbraak van algenbiomassa is onontbeerlijk. Voor deze, echter, we hebben nauwkeurige basiskennis van de locatie nodig, snelheid en omvang van nutriëntennetwerken in de oceaan. Dus wat is precies het lot van de koolstof van het glycolzuur, wat globaal betekent stofhoeveelheden in de orde van grootte van een miljard ton per jaar?

Het vergeten pad

Onderzoekers hoeven niet altijd helemaal opnieuw te beginnen - soms zijn er al bekende puzzelstukjes, ze moeten alleen worden herkend en correct worden geplaatst. Een voorbeeld hiervan is de β-hydroxyaspartaatcyclus. Het werd meer dan 50 jaar geleden ontdekt in de bodembacterie Paracoccus. In die tijd, de metabole route kreeg weinig aandacht en de exacte biochemische processen bleven onontgonnen. Dr. Lennart Schada von Borzyskowski, eerste auteur van de huidige Natuur publicatie, een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling Tobias Erb van het Max Planck Instituut voor Terrestrische Microbiologie in Marburg, ontdekte deze metabole route in de loop van literatuuronderzoek. "Kijkend naar deze metabolische route, Ik merkte dat het efficiënter zou moeten zijn dan het proces dat eerder werd aangenomen voor de afbraak van glycolzuur, en ik vroeg me af of het misschien belangrijker was dan aanvankelijk werd aangenomen, ’ meldt de wetenschapper.

Uitgerust met slechts een enkele gensequentie, hij kwam een ​​cluster van vier genen tegen in databases die de bouwinstructies voor vier enzymen leverden. In combinatie, drie van de enzymen waren voldoende om een ​​verbinding te verwerken die is afgeleid van glycolzuur. Maar waar was het vierde enzym verantwoordelijk voor? Schada von Borzyskowski testte dit enzym in het laboratorium en ontdekte dat het een in deze context onbekende iminereactie katalyseerde. Deze vierde reactie sluit de metabole route naar een elegante cyclus waardoor de koolstof van glycolzuur kan worden gerecycled zonder verlies van CO ₂ .

Wereldwijd gedistribueerd, ecologisch belangrijk

Een samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Marburg maakte het mogelijk om het glycolzuurmetabolisme en de regulatie ervan in levende micro-organismen te bestuderen. "Nu was het onze taak om te zoeken naar de aanwezigheid en activiteit van deze genen in mariene habitats en hun ecologische betekenis, Erb legt uit. De samenwerking tussen de biochemici van Marburg en de mariene onderzoekers van het Max Planck Instituut in Bremen bleek zeer vruchtbaar, aangezien laatstgenoemden al jaren mariene gemeenschappen in de buurt van Helgoland bestuderen, in het bijzonder de bacteriepopulaties tijdens en na algenbloei. Bij verschillende excursies op volle zee, de wetenschappers uit Marburg en Bremen maten de vorming en consumptie van glycolzuur tijdens de algenbloei in het voorjaar van 2018. Inderdaad, de metabole cyclus was actief betrokken bij het metabolisme van glycolzuur.

De blauwdrukken van de metabole cyclus werden ook herhaaldelijk gevonden in de bacteriële genoomsequenties die de TARA Oceans-expeditie had verzameld uit de oceanen van de wereld over een afstand van 10, 000 kilometer, met een gemiddelde 20 keer hogere prevalentie dan alle andere gepostuleerde afbraakroutes voor glycolzuur. De herontdekte stofwisselingsroute is dus geen nichebestaan, maar integendeel, wijd verspreid.

Deze nieuwe bevindingen verbazen Rudolf Amann nog steeds:"De ontdekking van onze collega's in Marburg zet ons eerdere begrip van het lot van glycolzuur op zijn kop. Onze gegevens laten zien dat we de cyclus van miljarden tonnen koolstof in de oceanen opnieuw moeten beoordelen." Zoals Tobias Erb vervolgt:"Dit werk maakt ons bewust van de globale dimensies van het metabolisme van micro-organismen, en tegelijkertijd laat het ons zien hoeveel we samen nog moeten ontdekken."