被遗忘的途径为全球碳循环增加了新的维度

在卫星图像中，藻类地毯的光条纹看起来像艺术品。仅在70,000平方公里的德意志布赫（Deutsche Bucht）地区，藻华在春季就产生了约一千万吨的生物质。

旧的东西，新的东西在蔚蓝的大海中：被遗忘的代谢途径的发现为全球碳循环增加了新的维度。

马尔堡和不莱梅马克斯·普朗克研究所的微生物学家发现了海洋中新的代谢过程。从单个基因的分子结构及其全球分布的检测范围来看，它们的结果使人们深入了解了通路过程及其降解产物，从而为将来计算海洋二氧化碳平衡提供了有价值的信息。

查尔斯·达尔文（Charles Darwin）怀疑海洋“湛蓝的海水”中的某物甚至比他在显微镜下可以看到的原生动物还要小。“今天，我们知道每升海水中都充满着数亿种微生物，”不莱梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所所长，海洋研究员Rudolf Amann解释说。他在马尔堡的姊妹地球微生物研究所的同事Tobias Erb补充说：“尽管只有微米大小，但微生物的绝对数量和高代谢率对海洋中的能量流和生物量周转有很大影响。”

尽管单细胞藻类（也称为浮游植物）将二氧化碳转化为生物质，但当藻类在其生命中或死亡时（有时在大众中）排泄固定碳时，其他微生物也会起作用，例如在所谓的藻类之后盛开。即使在地表水中，单细胞生物也会处理成千上万吨的藻类生物量：这是海洋生命周期中的一个核心过程。海洋中最重要的化合物之一是乙醇酸，它是光合作用的直接副产物，被海洋细菌部分转化回二氧化碳。但是在这里，图片变得模糊了-到目前为止，乙醇酸中碳的确切命运尚不清楚。

微生物研究的范围从在实验室中阐明分子原理到验证其对海洋生态系统的重要性。

为了获得对全球碳循环的有用评估，该方程式不能有太多未知数。我们今天知道，太多的二氧化碳会影响海洋中的生物。海水中二氧化碳浓度的增加使海洋酸化，破坏浮游植物与微生物之间的平衡，并最终影响全球气候。为了了解全球范围内气候变化的后果，对藻类生物量的细菌降解的准确了解是必不可少的。但是，为此，我们需要有关海洋中营养网络的位置，速率和范围的精确基础知识。那么，乙醇酸碳的命运到底是什么呢？这在全球范围内意味着每年的物质量在10亿吨左右？

被遗忘的道路

研究人员并不一定总是从头开始-有时已经有一些已知的拼图碎片，只需将它们识别并正确放置即可。一种这样的片段是-羟基天β冬氨酸循环。它是在50多年前的土壤细菌副球菌中发现的。当时，新陈代谢途径很少受到关注，其确切的生化过程仍未探索。本书的第一作者Lennart Schada von Borzyskowski是马尔堡马克斯·普朗克陆地微生物研究所Tobias Erb系的博士后研究员，他在文献研究过程中发现了这种代谢途径。科学家报告说：“在观察这种代谢途径时，我注意到它应该比以前认为的降解乙醇酸的方法更有效，而且我想知道它是否可能比最初假定的更为重要。”

早β在50多年前就已在土壤细菌Paracoccus中发现了羟天冬氨酸循环，对此鲜为人知，其确切的生化过程仍未得到探索。事实证明，必须重新评估海洋中数十亿吨碳的循环。

他只配备了一个基因序列，却在数据库中遇到了四个基因的簇，这些数据库提供了四种酶的构建指导。结合使用三种酶足以处理衍生自乙醇酸的化合物。但是第四个酶负责什么呢？Schada von Borzyskowski在实验室测试了该酶，发现它催化了在此背景下以前未知的亚胺反应。该第四反应将代谢途径封闭至一个优雅的循环，乙醇酸的碳可通过该循环被循环而不损失二氧化碳。

全球分布，具有生态意义

与马尔堡大学科学家的合作使研究乙醇酸代谢及其在活微生物中的调控成为可能。“现在的任务是寻找海洋栖息地中这些基因的存在和活性及其生态意义，” Tobias Erb解释说。马尔堡生物化学家与不来梅马克斯·普朗克研究所的海洋研究人员之间的合作被证明是卓有成效的，因为后者多年来一直在研究Helgoland附近的海洋群落，特别是藻华期间和之后的细菌种群。在公海的几次旅行中，来自马尔堡和不来梅的科学家测量了2018年春季藻华期间乙醇酸的形成和消耗情况。确实：代谢周期积极参与了乙醇酸的代谢。

TARA Oceans Expedition从世界海洋收集的细菌基因组序列在10,000公里的距离内也反复发现了代谢循环的蓝图，其流行率平均比所有其他假定的乙醇酸降解途径高20倍。因此，重新发现的代谢途径不是小生境，而是相反。这些新发现仍然使Rudolf Amann惊奇：“我们在马尔堡的同事的发现颠倒了我们以前对乙醇酸命运的理解。我们的数据表明，我们必须重新评估海洋中数十亿吨碳的循环。”随着Tobias Erb的继续：“这项工作使我们意识到了微生物代谢的全球范围，同时也向我们展示了我们仍然需要一起发现多少。”

参考：Lennart Schada vonβ Borzyskowski，Francesca Severi，KarenKrüger，Lucas Hermann，Alexandre Gilardet，Felix Sippel，Bianca Pommerenke，Peter Claus，NiñaSocorro Cortina，Timo Glatter，Zanfanzy ，Bernhard M.Fuchs，Erhard Bremer，Uwe G.Maier，Rudolf I.Amann和Tobias J.Erb，2019年11月13日，自然。
10.1038 / s41586-019-1748-4