Uno de los compuestos más importantes en el océano es el ácido glicólico
Charles Darwin sospechaba algo en el "agua azul clara" del océano que era incluso más pequeño que los protozoos que podía ver bajo el microscopio. "Hoy sabemos que cada litro de agua del océano está lleno de cientos de millones de microorganismos", explica el investigador marino Rudolf Amann, director del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen.
Su colega Tobias Erb del instituto hermano de Microbiología terrestre en Marburg agrega: "Aunque solo tienen un tamaño de micrómetros, los microorganismos con su gran número y alta tasa de metabolismo tienen un fuerte impacto en el flujo de energía y el recambio de biomasa en los océanos".
Mientras que las algas unicelulares, también conocidas como fitoplancton, convierten el CO2 en biomasa, otros microorganismos entran en acción cuando las algas excretan el carbono fijo, ya sea durante su vida o cuando mueren, a veces en masa, como después de la llamada floración de algas. Incluso en aguas superficiales, los organismos unicelulares procesan miles de toneladas de biomasa de algas: un proceso central en el ciclo de la vida marina.
Uno de los compuestos más importantes en el océano es el ácido glicólico (C2H4O3), un subproducto directo de la fotosíntesis que las bacterias marinas convierten parcialmente en CO2. Pero aquí, la imagen se vuelve borrosa: el destino exacto del carbono en el ácido glicólico era desconocido hasta ahora.
Sin embargo, para obtener una evaluación útil del ciclo global del carbono, la ecuación no debe tener demasiadas incógnitas. Como sabemos hoy, demasiado CO2 influye en la vida en el océano. El aumento de las concentraciones de CO2 en el agua de mar acidifica los océanos, perturba el equilibrio entre el fitoplancton y los microorganismos y, en última instancia, influye en el clima global.
Para comprender las consecuencias para el cambio climático a escala global, es indispensable un conocimiento preciso de la degradación bacteriana de la biomasa de algas. Para esto, sin embargo, necesitamos un conocimiento básico preciso de la ubicación, tasa y extensión de las redes de nutrientes en el océano. Entonces, ¿cuál es exactamente el destino del carbono en el ácido glicólico, que a nivel mundial significa cantidades de sustancias en el rango de mil millones de toneladas por año?
El camino olvidado
Los investigadores no siempre tienen que comenzar desde cero: a veces ya se conocen piezas del rompecabezas, solo hay que reconocerlas y colocarlas correctamente. Una de esas piezas es el ciclo del β-hidroxiapartato. Fue descubierto hace más de 50 años en la bacteria del suelo Paracoccus.
En ese momento, la vía metabólica recibió poca atención y sus procesos bioquímicos exactos permanecieron inexplorados. El Dr. Lennart Schada von Borzyskowski, primer autor de la publicación actual de Nature, becario postdoctoral en el departamento de Tobias Erb en el Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre en Marburg, descubrió esta vía metabólica en el curso de la investigación bibliográfica.
"Al observar esta vía metabólica, noté que debería ser más eficiente que el proceso previamente asumido para la degradación del ácido glicólico, y me pregunté si podría ser más importante de lo que originalmente se suponía", informa el científico.
Equipado con una sola secuencia de genes, se encontró con un grupo de cuatro genes en bases de datos que proporcionaban las instrucciones de construcción para cuatro enzimas. En combinación, tres de las enzimas fueron suficientes para procesar un compuesto derivado del ácido glicólico.
¿Pero de qué era el responsable la cuarta enzima? Schada von Borzyskowski probó esta enzima en el laboratorio y descubrió que catalizaba una reacción imina previamente desconocida en este contexto. Esta cuarta reacción cierra la vía metabólica a un ciclo elegante a través del cual el carbono del ácido glicólico puede reciclarse sin la pérdida de CO2.
Distribuido globalmente, ecológicamente significativo
Una cooperación con científicos de la Universidad de Marburg permitió estudiar el metabolismo del ácido glicólico y su regulación en microorganismos vivos. "Ahora nuestra tarea era buscar la presencia y actividad de estos genes en los hábitats marinos y su importancia ecológica", explica Erb.
La cooperación entre los bioquímicos de Marburg y los investigadores marinos del Instituto Max Planck en Bremen demostró ser muy fructífera, ya que estos últimos han estado estudiando durante años comunidades marinas cerca de Helgoland, en particular las poblaciones bacterianas durante y después de las floraciones de algas. En varias excursiones en alta mar, los científicos de Marburg y Bremen midieron la formación y el consumo de ácido glicólico durante la floración de algas en la primavera de 2018. De hecho, el ciclo metabólico estuvo activamente involucrado en el metabolismo del ácido glicólico.
Los planos del ciclo metabólico también se encontraron repetidamente en las secuencias del genoma bacteriano que la expedición TARA Oceans había recogido de los océanos del mundo en una distancia de 10.000 kilómetros, con una prevalencia promedio 20 veces mayor que todas las otras rutas de degradación postuladas para el ácido glicólico. Por lo tanto, la vía metabólica redescubierta no es un nicho de existencia sino que, por el contrario, está muy extendida.
Estos nuevos hallazgos aún sorprenden a Rudolf Amann: "El descubrimiento de nuestros colegas en Marburg da un vuelco a nuestra comprensión previa del destino del ácido glicólico. Nuestros datos muestran que tenemos que reevaluar el ciclo de miles de millones de toneladas de carbono en los océanos".
Como continúa Tobias Erb: "Este trabajo nos hace conscientes de las dimensiones globales del metabolismo de los microorganismos, y al mismo tiempo nos muestra cuánto tenemos aún que descubrir juntos".
Artículo científico: Marine Proteobacteria metabolize glycolate via the β-hydroxyaspartate cycle
