Charles Darwin misstänkte att något i havets "klarblå vatten" var ännu mindre än de protozoer han kunde se under mikroskopet. "Idag vet vi att varje liter havsvatten myllrar av hundratals miljoner mikroorganismer, " förklarar havsforskaren Rudolf Amann, Direktör vid Max Planck-institutet för marin mikrobiologi i Bremen. Hans kollega Tobias Erb från systerinstitutet för terrestrial Microbiology i Marburg tillägger:"Även om det bara är mikrometer i storlek, mikroorganismerna med deras stora antal och höga metabolism har en stark inverkan på energiflödet och biomassaomsättningen i haven."

Medan de encelliga algerna, även känd som växtplankton, omvandla CO ₂ till biomassa, andra mikroorganismer träder i kraft när algerna utsöndrar det fixerade kolet – antingen under sitt liv, eller när de dör - ibland i massa, som efter den så kallade algblomningen. Även i ytvatten, encelliga organismer bearbetar många tusen ton algbiomassa:en central process i den marina livscykeln. En av de viktigaste föreningarna i havet är glykolsyra, en direkt biprodukt av fotosyntesen som delvis omvandlas tillbaka till CO ₂ av marina bakterier. Men här, bilden blir suddig – det exakta ödet för kolet i glykolsyra var hittills okänt.

För att få en användbar bedömning av den globala kolcykeln, dock, ekvationen får inte ha för många okända. Som vi vet idag, för mycket CO ₂ påverkar livet i havet. Ökade koncentrationer av CO ₂ i havsvatten försurar haven, störa balansen mellan växtplankton och mikroorganismer och i slutändan påverka det globala klimatet. För att förstå konsekvenserna för klimatförändringar på global skala, en exakt kunskap om den bakteriella nedbrytningen av algbiomassa är oumbärlig. För detta, dock, vi behöver exakta grundläggande kunskaper om platsen, hastighet och omfattning av näringsnätverk i havet. Så vad exakt är ödet för glykolsyrans kol, vilket globalt betyder ämnesmängder i storleksordningen en miljard ton per år?

Den bortglömda vägen

Forskare behöver inte alltid börja om från början – ibland finns det redan kända pusselbitar, de måste bara kännas igen och placeras korrekt. En sådan del är β-hydroxiaspartatcykeln. Den upptäcktes för mer än 50 år sedan i jordbakterien Paracoccus. Vid den tiden, den metaboliska vägen fick lite uppmärksamhet och dess exakta biokemiska processer förblev outforskade. Dr Lennart Schada von Borzyskowski, förste författare till strömmen Natur offentliggörande, en postdoktor vid Tobias Erbs avdelning vid Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Marburg, upptäckte denna metaboliska väg under litteraturforskningen. "När man tittar på denna metaboliska väg, Jag märkte att det borde vara mer effektivt än den process som tidigare antagits för nedbrytning av glykolsyra, och jag undrade om det kunde vara viktigare än vad som ursprungligen antogs, ", rapporterar forskaren.

Utrustad med endast en enda gensekvens, han stötte på ett kluster av fyra gener i databaser som gav konstruktionsinstruktionerna för fyra enzymer. I kombination, tre av enzymerna var tillräckliga för att bearbeta en förening som härrörde från glykolsyra. Men vad var det fjärde enzymet ansvarigt för? Schada von Borzyskowski testade detta enzym i laboratoriet och upptäckte att det katalyserade en iminreaktion som tidigare var okänd i detta sammanhang. Denna fjärde reaktion stänger den metaboliska vägen till en elegant cykel genom vilken kolet av glykolsyra kan återvinnas utan förlust av CO ₂ .

Globalt distribuerad, ekologiskt betydelsefulla

Ett samarbete med forskare från universitetet i Marburg gjorde det möjligt att studera glykolsyrametabolismen och dess reglering i levande mikroorganismer. "Nu var vår uppgift att leta efter närvaron och aktiviteten av dessa gener i marina livsmiljöer och deras ekologiska betydelse, " Erb förklarar. Samarbetet mellan Marburgs biokemister och havsforskarna vid Max Planck-institutet i Bremen visade sig vara mycket fruktbart, eftersom de senare har studerat marina samhällen nära Helgoland i flera år, i synnerhet bakteriepopulationerna under och efter algblomning. I flera utflykter på öppet hav, forskarna från Marburg och Bremen mätte bildning och konsumtion av glykolsyra under algblomningen våren 2018. den metaboliska cykeln var aktivt involverad i metabolismen av glykolsyra.

Ritningarna för den metaboliska cykeln hittades också upprepade gånger i de bakteriella genomsekvenserna som TARA Oceans-expeditionen hade samlat in från världshaven över ett avstånd av 10, 000 kilometer, med i genomsnitt 20 gånger högre prevalens än alla andra postulerade nedbrytningsvägar för glykolsyra. Således är den återupptäckta metaboliska vägen inte en nischtillvaro, men tvärtom, utbredd.

Dessa nya rön förvånar fortfarande Rudolf Amann:"Upptäckten av våra kollegor i Marburg vänder upp och ner på vår tidigare förståelse av glykolsyrans öde. Våra data visar att vi måste omvärdera cykeln av miljarder ton kol i haven." Som Tobias Erb fortsätter:"Detta arbete gör oss medvetna om de globala dimensionerna av metabolismen av mikroorganismer, och samtidigt visar det oss hur mycket vi fortfarande har att upptäcka tillsammans."