Vitamin B12-Anpassungsfähigkeit bei antarktischen Algen hat Auswirkungen auf den Klimawandel und das Leben im Südlichen Ozean.

5. Februar 2024

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von den Woods Hole Oceanographic Institution

Vitamin-B12-Mangel bei Menschen kann eine Vielzahl von Gesundheitsproblemen verursachen und sogar tödlich sein. Bisher wurde angenommen, dass die gleichen Mängel auch bestimmte Arten von Algen betreffen. Eine neue Studie hat die Alge Phaeocystis antarctica (P. antarctica) auf ihre Reaktion auf eine Kombination von Eisen- und Vitamin-B12-Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Alge in der Lage ist, ohne B12 zu überleben, obwohl in Computeranalysen von Genomsequenzen fälschlicherweise das Gegenteil angenommen wurde.

Die in der Antarktis heimische Alge beginnt als einzelne Zelle, die sich zu millimetergroßen Kolonien entwickeln kann. Die Forschung mit dem Titel "Flexible B12 ecophysiology of Phaeocystis antarctica due to a fusion B12-independent methionine synthase with widespread homologues", veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, wurde von MIT, WHOI, dem J.C. Venter Institute und dem Scripps Institution of Oceanography (UCSD) durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass P. antarctica im Gegensatz zu anderen wichtigen polaren Phytoplanktonarten sowohl mit als auch ohne Vitamin B12 überleben kann.

"Vitamin B12 ist für den Stoffwechsel der Alge sehr wichtig, da es ihnen ermöglicht, eine wichtige Aminosäure effizienter herzustellen", sagte Makoto Saito, einer der Co-Autoren der Studie und leitender Wissenschaftler an der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

"Wenn man kein Vitamin B12 bekommen kann, hat das Leben Möglichkeiten, diese Aminosäuren langsamer herzustellen, was auch zu einem langsamerem Wachstum führt. In diesem Fall gibt es zwei Formen des Enzyms, das die Aminosäure Methionin herstellt, eine benötigt B12 und die andere ist viel langsamer, aber benötigt kein B12. Das bedeutet, dass P. antarctica die Fähigkeit hat, sich anzupassen und auch bei geringer B12-Verfügbarkeit zu überleben."

Die Forscher kamen zu ihrer Schlussfolgerung, indem sie die Proteine von P. antarctica in einer Laborumgebung untersuchten und auch nach Schlüsselproteinen in Feldproben suchten. Dabei stellten sie fest, dass die Alge ein B12-unabhängiges Methionin-Synthase-Fusionsprotein (MetE) besitzt. Das MetE-Gen ist nicht neu, wurde jedoch zuvor nicht mit P. antarctica in Verbindung gebracht. MetE ermöglicht der Alge die Anpassung an eine geringe Verfügbarkeit von Vitamin B12.

"Diese Studie legt nahe, dass die Realität komplexer ist. Für die meisten Algen ist es vorteilhaft, einen flexiblen Stoffwechsel für B12 aufrechtzuerhalten, da das Vitamin im Meerwasser knapp ist", sagte Deepa Rao, Hauptforscherin der Studie und ehemalige Postdoktorandin am MIT. "Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, essentielle Aminosäuren herzustellen, auch wenn sie nicht genug Vitamin aus der Umgebung aufnehmen können. Dies bedeutet, dass die Einteilung von Algen in B12-abhängig oder nicht zu einfach sein könnte."

P. antarctica, die am unteren Ende der Nahrungskette lebt, wurde bisher als vollständig von der Eisenvitaminierung abhängig angesehen. Die Entdeckung des MetE-Gens deutet jedoch darauf hin, dass Vitamin B12 eine Rolle spielt. Aufgrund seiner Anwesenheit in P. antarctica hat die Anpassungsfähigkeit der Alge einen potenziellen Vorteil, im frühen australischen Frühling zu blühen, wenn die Bakterien, die B12 produzieren, seltener sind.

Diese Entdeckung hat auch Auswirkungen auf den Klimawandel. Der Südliche Ozean, in dem P. antarctica vorkommt, spielt eine bedeutende Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde. P. antarctica nimmt CO2 auf und gibt durch Photosynthese Sauerstoff ab.

"Mit der Erwärmung unseres globalen Klimas gelangt immer mehr Eisen aus schmelzenden Gletschern in den küstennahen Südlichen Ozean", sagt Saito. "Es ist wichtig, vorherzusagen, was das nächste begrenzende Element nach Eisen ist, und B12 scheint eines davon zu sein. Klimamodelleure möchten wissen, wie viel Algen im Ozean wachsen, um Vorhersagen richtig zu machen, und sie haben Eisen parametrisiert, aber B12 noch nicht in diese Modelle aufgenommen."

"Wir interessieren uns insbesondere dafür, mehr über das Ausmaß der Diversität auf der Ebene der Unterstämme zu erfahren. Es wird interessant sein zu sehen, ob B12-unabhängige Stämme im wärmeren Südlichen Ozean einen Wettbewerbsvorteil haben", sagte Andy Allen, Co-Autor der Studie und gemeinsamer Professor am J. Craig Venter Institute und am Scripps Institution of Oceanography an der University of California, San Diego. "Da B12-Unabhängigkeit mit einem Verlust an Stoffwechseleffizienz verbunden ist, stellt sich die Frage, ob Stämme, die B12 benötigen, von B12-produzierenden Bakterien abhängig werden könnten."

The discovery that P. antarctica has the ability to adapt to minimal vitamin B12 availability turns out to be true for many other species of algae that were previously also assumed to be strict B12 users. The findings from this study will pave the way for future research related to the carbon cycle and how different types of algae survive in the Southern Ocean's cold and harsh environment.

Provided by Woods Hole Oceanographic Institution