's Nachts schakelt de cyanobacterie in hete bron over op stikstof

Fotosynthetische bacteriën in heetwaterbronnen in het Amerikaanse Yellowstone National Park schakelen in het donker over op een totaal andere stofwisseling. Overdag halen ze hun energie uit fotosynthese, maar zodra de zon onder is beginnen zij met het omzetten van stikstofgas (N2) in andere stikstofverbindingen die nodig zijn bij de celgroei. Wetenschappers onder leiding van Arthur Grossman van het Carnegie Institution in Stanford hebben hiermee het raadsel opgelost hoe heetwaterbacteriën aan de benodigde stikstof komen (Proceedings of the National Academy of Sciences, 30 jan).

De biologen onderzochten de stofwisseling van de eencellige cyanobacterie Synechococcus uit de Octopus Spring in Yellowstone National Park. Deze soort leeft in het bovenste laagje van zogeheten microbiële matten, een centimeterdikke laag van aan elkaar gekitte bacteriën die zich hecht op de randen van heetwaterbronnen. Cyanobacteriën als Synechococcus zijn de primaire producenten van heetwaterbronnen omdat zij via fotosynthese suikers kunnen aanmaken. Een deel daarvan scheiden zij uit, en dat is een belangrijke voedingsbron voor andere bacteriën. In het gedeelte waarin Synechococcus voorkomt schommelt de temperatuur tussen de 53,5 en 63,4°C. Tot nu toe was alleen bekend dat draadvormende cyanobacteriën in heetwaterbronnen stikstof konden vastleggen, maar die komen niet voor bij temperaturen boven de 50°C. Maar nu blijkt dat de eencellige cyanobacteriën in de toplaag van de mat 's nachts stikstof kunnen vastleggen.

De onderzoekers ontdekten dat door gedurende een etmaal de genactiviteit van Synechococcus in de gaten te houden. Om zes uur 's avonds (het was toen nog volop licht) waren de bacteriën nog geheel gericht op de fotosynthese. Maar twee uur later, toen de zon onder was, bleek de bacterie een hele machinerie van tientallen genen voor het vastleggen van stikstof te hebben geactiveerd. De onderzoekers ontdekten hoe die aanschakeling in zijn werk gaat. In het licht komt veel zuurstof vrij bij de fotosynthese en dat onderdrukt het stikstofmetabolisme. In het donker wordt de zuurstof in de mat binnen mum van tijd opgebruikt door alle bacteriën. Als de zuurstof op is gaan zij collectief over op een fermentatiestofwisseling, tot de volgende morgen. Volgens de onderzoekers blijkt uit de resultaten nog eens dat microbiële matten nauw verweven ecosystemen zijn, waarin tientallen bacteriesoorten leven die het zonder elkaar niet zouden redden.