Den globalen marinen Kohlenstoffkreislauf auf molekularer Ebene nachverfolgen
Der Ozean beherbergt ein riesiges Reservoir an gelöstem organischem Kohlenstoff, das zu einem großen Teil aus Glykanen besteht, Molekülen auf Zuckerbasis, die von photosynthetischen Organismen gebildet werden. Diese Glykane sind sehr unterschiedliche Moleküle, und es gibt Hinweise darauf, dass bestimmte Arten von Glykanen jahrhundertelang Kohlendioxid speichern können. „Um zu einem besseren Verständnis der marinen Kohlenstoff-Glykan-Ströme auf molekularer Ebene zu gelangen, benötigen wir präzise chemische Werkzeuge“, erklärt Conor Crawford, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. „Mit diesen Instrumenten werden wir uns den Fragen bei der Erforschung des marinen Kohlenstoffkreislaufs mit einem wissenschaftlichen Ansatz und der gleichen technischen Sorgfalt annähern, wie sie in der medizinischen Forschung erforderlich ist“, fügt er hinzu. Im Rahmen des mithilfe der Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführten Projekts MARINEGLYCAN versuchten Crawford und sein Team, diese technologische Lücke zu schließen, indem sie eine Reihe von biochemischen Instrumenten entwickelten, um die Strömung mariner Glykane in Ökosystemen erforschen. Bei der Arbeit an diesem transdisziplinären Vorhaben werden Chemie, Mikrobiologie, Biochemie und Ökologie verknüpft. Zu den Hauptzielen des Projekts zählten die Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren zur Regulierung des mikrobiellen Kohlenstoffkreislaufs, die Konzipierung von Instrumenten zur Erfassung und Quantifizierung des Glykanabbaus in komplexen Gemeinschaften und die Weiterentwicklung der automatisierten Glykansynthese.
Maritime Mikroalgen im Visier
Marine Mikroalgen übernehmen bei der Abscheidung und Speicherung von CO2 in Form von Glykanen eine zentrale Funktion. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses könnte neue Wege der Bindung von Kohlendioxid eröffnen. Auf diese Weise könnte der CO2-Gehalt der Atmosphäre erheblich beeinflusst werden. „Um es ins rechte Licht zu rücken: Ein Anstieg des Kohlenhydrat- oder Glykan-Kohlenstoffpools um 1 % hätte größere Auswirkungen auf den atmosphärischen CO2-Gehalt als die sofortige Einstellung der Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen“, sagt Crawford. Im Zuge des Projekts entwickelten die Forschenden automatisierte Verfahren zur Synthese verschiedener Arten von marinen Glykanen und Instrumente wie zum Beispiel Förster-Resonanzenergietransfer-Sonden (FRET). Mithilfe dieser molekularen Sensoren lassen sich Mikroorganismen mit seltenen kohlenstoffabbauenden Aktivitäten aktivitätsbasiert nachweisen, quantifizieren und isolieren, was mit der heute verfügbaren Technologie nicht möglich ist. Das Team nutzte zusammen mit seinen Kooperationspartnern diese Innovationen, um zu erkunden, zu definieren und unser Verständnis darüber zu erweitern, wie Mikroorganismen und Mikroalgen zusammenwirken. „Mit jedem dieser Werkzeuge konnten wir untersuchen, wie Algenglykane und mikrobielle Proteine auf molekularer Ebene interagieren“, erklärt Crawford. „Dieses biomolekulare Wissen ist entscheidend, um zu verstehen, wie und welche Arten von Glykanen schnell verdaut und als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt werden, und um diejenigen zu finden, die Kohlenstoff für Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende speichern können.“ Ein besseres Verständnis der Algenglykane, der mikrobiellen Abbaumechanismen und des gesamten Kohlenstoffkreislaufs bildet die Grundlage für Innovationen, die zur Bewältigung der dringenden Probleme mit dem Klima und der biologischen Vielfalt von entscheidender Bedeutung sind, so Crawford. Die projektintern entwickelten Werkzeuge könnten gleichermaßen zur Entdeckung bioaktiver Epitope sulfatierter mariner Glykane verwendet werden, die bekanntermaßen antivirale, krebshemmende und neuroprotektive Eigenschaften aufweisen. „Das Team ist weiterhin bestrebt, die molekularen Feinheiten der Algen noch gründlicher zu erforschen, auch wenn der weitere Verlauf dieser Forschung stark davon abhängt, ob die Finanzierung gewährleistet ist“, sagt er.
Schlüsselbegriffe
MARINEGLYCAN, Kohlenstoffkreislauf, Ozean, Glykan, Synthese, chemisch, Werkzeuge
