Charles Darwin sospettava qualcosa nelle "chiare acque azzurre" dell'oceano che era persino più piccolo dei protozoi che poteva vedere al microscopio. "Oggi sappiamo che ogni litro di acqua oceanica brulica di centinaia di milioni di microrganismi, " spiega il ricercatore marino Rudolf Amann, Direttore dell'Istituto Max Planck di microbiologia marina di Brema. Il suo collega Tobias Erb dell'istituto gemello di microbiologia terrestre di Marburg aggiunge:"Sebbene solo micrometri di dimensioni, i microrganismi con il loro numero e l'alto tasso di metabolismo hanno un forte impatto sul flusso di energia e sul turnover della biomassa negli oceani".

Mentre le alghe unicellulari, noto anche come fitoplancton, convertire CO ₂ in biomassa, altri microrganismi entrano in azione quando le alghe espellono il carbonio fissato, o durante la loro vita, o quando muoiono, a volte in massa, come dopo la cosiddetta fioritura delle alghe. Anche in acque superficiali, gli organismi unicellulari elaborano molte migliaia di tonnellate di biomassa algale:un processo centrale nel ciclo di vita marino. Uno dei composti più importanti nell'oceano è l'acido glicolico, un sottoprodotto diretto della fotosintesi che viene parzialmente riconvertito in CO ₂ da batteri marini. Ma qui, l'immagine diventa sfocata:il destino esatto del carbonio nell'acido glicolico era finora sconosciuto.

Al fine di ottenere una valutazione utile del ciclo globale del carbonio, però, l'equazione non deve avere troppe incognite. Come sappiamo oggi, troppa CO ₂ influenza la vita nell'oceano. Aumento delle concentrazioni di CO ₂ nell'acqua di mare acidificano gli oceani, disturbano l'equilibrio tra fitoplancton e microrganismi e in ultima analisi influenzano il clima globale. Per comprendere le conseguenze del cambiamento climatico su scala globale, è indispensabile una conoscenza precisa della degradazione batterica della biomassa algale. Per questo, però, abbiamo bisogno di una conoscenza di base precisa della posizione, tasso ed estensione delle reti di nutrienti nell'oceano. Quindi qual è esattamente il destino del carbonio dell'acido glicolico, che significa globalmente quantità di sostanza nell'ordine di un miliardo di tonnellate all'anno?

Il sentiero dimenticato

I ricercatori non devono sempre partire da zero:a volte ci sono già pezzi di puzzle noti, devono solo essere riconosciuti e posizionati correttamente. Uno di questi pezzi è il ciclo β-idrossiaspartato. È stato scoperto più di 50 anni fa nel batterio del suolo Paracoccus. A quel tempo, la via metabolica ha ricevuto poca attenzione e i suoi esatti processi biochimici sono rimasti inesplorati. Dott. Lennart Schada von Borzyskowski, primo autore della corrente Natura pubblicazione, un borsista post-dottorato nel dipartimento di Tobias Erb presso il Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology a Marburg, scoperto questa via metabolica nel corso della ricerca in letteratura. "Guardando questa via metabolica, Ho notato che dovrebbe essere più efficiente del processo precedentemente ipotizzato per la degradazione dell'acido glicolico, e mi chiedevo se potesse essere più importante di quanto inizialmente ipotizzato, "riferisce lo scienziato.

Dotato di una sola sequenza genica, si imbatté in un gruppo di quattro geni in database che fornivano le istruzioni per la costruzione di quattro enzimi. In combinazione, tre degli enzimi erano sufficienti per elaborare un composto derivato dall'acido glicolico. Ma di cosa era responsabile il quarto enzima? Schada von Borzyskowski ha testato questo enzima in laboratorio e ha scoperto che catalizzava una reazione di immina precedentemente sconosciuta in questo contesto. Questa quarta reazione chiude la via metabolica ad un elegante ciclo attraverso il quale il carbonio dell'acido glicolico può essere riciclato senza perdita di CO ₂ .

Distribuito in tutto il mondo, ecologicamente significativo

Una collaborazione con scienziati dell'Università di Marburg ha permesso di studiare il metabolismo dell'acido glicolico e la sua regolazione nei microrganismi viventi. "Ora il nostro compito era cercare la presenza e l'attività di questi geni negli habitat marini e il loro significato ecologico, " Spiega Erb. La collaborazione tra i biochimici di Marburg e i ricercatori marini del Max Planck Institute di Brema si è rivelata molto fruttuosa, poiché questi ultimi studiano da anni le comunità marine nei pressi di Helgoland, in particolare le popolazioni batteriche durante e dopo le fioriture algali. In numerose escursioni in alto mare, gli scienziati di Marburg e Brema hanno misurato la formazione e il consumo di acido glicolico durante la fioritura algale nella primavera del 2018. Infatti, il ciclo metabolico era attivamente coinvolto nel metabolismo dell'acido glicolico.

I progetti del ciclo metabolico sono stati trovati ripetutamente anche nelle sequenze del genoma batterico che la spedizione TARA Oceans aveva raccolto dagli oceani del mondo a una distanza di 10, 000 chilometri, con una prevalenza mediamente 20 volte superiore a tutte le altre vie di degradazione ipotizzate per l'acido glicolico. Quindi la via metabolica ritrovata non è un'esistenza di nicchia, ma al contrario, molto diffuso.

Queste nuove scoperte stupiscono ancora Rudolf Amann:"La scoperta dei nostri colleghi a Marburg capovolge la nostra precedente comprensione del destino dell'acido glicolico. I nostri dati mostrano che dobbiamo rivalutare il ciclo di miliardi di tonnellate di carbonio negli oceani". Come continua Tobias Erb:"Questo lavoro ci rende consapevoli delle dimensioni globali del metabolismo dei microrganismi, e allo stesso tempo ci mostra quanto dobbiamo ancora scoprire insieme."