A Microbial Pathway for Methanesulfonic Acid Biosynthesis from DMSP Expands the Marine Sulfur Cycle

تعد المحيطات محركات شاسعة وصامتة تدفع مناخ كوكبنا. وفي قلب الحياة المجهرية التي تنجرف عبر هذه المياه، تكمن دورة كيميائية معقدة تشمل الكبريت، وهو عنصر ضروري للحياة ولاعب رئيسي في كيفية تنظيم الأرض لدرجة حرارتها. لعقود من الزمن، فهم العلماء مساراً رئيسياً واحداً يسلكه هذا الكبريت: تنتج النباتات البحرية الصغيرة مركباً معيناً لحماية نفسها، وعندما تقوم البكتيريا بتفكيكه، تطلق غازاً يرتفع إلى الهواء. وبمجرد وصوله إلى الغلاف الجوي، يقوم ضوء الشمس والتفاعلات الكيميائية بتحويل هذا الغاز إلى حمض يساعد في تكوين السحب، والتي تعكس بدورها ضوء الشمس إلى الفضاء. وقد ساد الاعتقاد لفترة طويلة أن هذه العملية هي الطريقة الوحيدة لدخول هذا الحمض المحدد، المعروف باسم حمض الميثان سلفونيك، إلى البيئة البحرية، حيث يصل فقط بعد رحلة طويلة عبر السماء.

لقد كشف فريق من الباحثين في جامعة فريدريش شيلر يينا الآن عن مسار ثانٍ مختلف تماماً، يحدث بالكامل تحت الماء ولا يتطلب الغلاف الجوي على الإطلاق. فمن خلال دراسة البكتيريا البحرية في المختبر وفي البرية، اكتشفوا أن هذه الميكروبات يمكنها تحويل مركب كبريت شائع مباشرة إلى حمض الميثان سلفونيك داخل خلاياها الخاصة. هذا الاكتشاف يعيد رسم خريطة دورة الكبريت البحرية، موضحاً أن المحيط ينتج هذا الحمض المرتبط بالمناخ من تلقاء نفسه، وبشكل مستقل عن الهواء فوقه.

تبدأ القصة بجزيء يسمى ثنائي ميثيل سلفوني بروبيونات، أو DMSP. هذه المادة تنتجها النباتات العوالف (الفايتوبلانكتون) بكميات هائلة، وهي النباتات المجهرية التي تشكل قاعدة الشبكة الغذائية للمحيط. وتعمل هذه المادة كنوع من الدرع الداخلي لهذه النباتات، حيث تحميها من الإجهاد الملحي والأكسدة. وعندما تموت هذه النباتات أو تُؤكل، تقوم البكتيريا بتفكيك الـ DMSP. وحتى الآن، كان العلماء يعتقدون أن هذا التفكيك يحدث بإحدى ثلاث طرق: يمكن للبكتيريا تقسيم الجزيء لإطلاق غاز، أو نزع مجموعة ميثيل لإنشاء مركب كبريت مختلف، أو أكسدته إلى مادة تسمى ثنائي ميثيل سلفوكسونيوم بروبيونات، أو DMSOP. وكان يُعرف عن الـ DMSOP الأخير أنه وسيط مستقر يمكن تفكيكه لاحقاً إلى مركبات أخرى، ولكن لم يكن يُعتقد أنه يؤدي مباشرة إلى حمض الميثان سلفونيك.

اشتبه الباحثون في أن القصة غير مكتملة. بدأوا بفحص ستة عشر سلالة مختلفة من البكتيريا البحرية لمعرفة أي منها يمكنه تحويل DMSP إلى DMSOP. ووجدوا أن عدة أنواع، بما في ذلك بكتيريا تسمى Celeribacter baekdonensis، كانت فعالة جداً في هذه الخطوة الأولى. ولاختبار ما يحدث بعد ذلك، قاموا بتغذية هذه البكتيريا بنسخة من DMSOP تم وسمها كيميائياً بنظير كربون ثقيل، مما سمح لهم بتتبع مصير الجزيء بدقة متناهية. وعندما حللوا البكتيريا بعد الحضانة، وجدوا شيئاً غير متوقع: كانت البكتيريا قد حولت الـ DMSOP الموسوم إلى مركب جديد موسوم أيضاً.

باستخدام مطيافية الكتلة عالية الدقة، وهي تقنية تحدد الجزيئات من خلال وزنها الدقيق، حدد الفريق أن هذا المركب الجديد هو حمض الميثان سلفونيك. كان هذا اكتشافاً هاماً لأن حمض الميثان سلفونيك كان يُعتبر حصرياً نتاج الكيمياء الجوية، حيث يتكون عندما يتأكسد غاز ثنائي ميثيل السلفيد بواسطة ضوء الشمس في الهواء. وأكد الباحثون أن البكتيريا لم تكن مجرد ممتصة للحمض من بيئتها، بل كانت تصنعه بنشاط. وقد لاحظوا تراكم الحمض داخل الخلايا البكتيرية وإطلاقه في الماء المحيط.

ولفهم كيفية حدذوث هذا التحول، عزل الفريق الإنزيمات المحددة المسؤولة عن ذلك. وحددوا ثلاثة بروتينات، تُعرف باسم DmdA وDmdC وDmdD، وهي جزء من الأدوات القياسية للبكتيريا لتفكيك مركبات الكبريت. وفي سلسلة من التجارب، أظهروا أن هذه الإنزيمات يمكنها العمل معاً لنزع مجموعة ميثيل من DMSOP وإعادة ترتيب الأجزاء المتبقية. وتخلق هذه العملية وسيطاً غير مستقر للغاية يتفاعل بسرعة مع الأكسجين لتكوين حمض الميثان سلفونيك. وقد أثبت الفريق ذلك عن طريق خلط الإنزيمات المنقاة مع المساعدات الكيميائية اللازمة في أنبوب اختبار ومراقبة تشكل الحمض، مما أثبت أن الآلات البيولوجية وحدها كافية لإتمام التفاعل.

يمتد महत्व هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من المختبر. ولرؤية ما إذا كانت هذه العملية تحدث في المحيط الحقيقي، قام الباحثون بتحليل عينات مياه جُمعت من بحر ويدل في القارة القطبية الجنوبية، وهي منطقة معروفة بإنتاجيتها البيولوجية العالية. قاموا بفصل المياه إلى جزأين: المواد الكيميائية الذائبة التي تطفو بحرية، ومحتويات الكائنات الحية الدقيقة نفسها. وفي كلا الجزأين، وجدوا كميات كبيرة من حمض الميثان سلفونيك. وفي بعض المواقع، كان تركيز هذا الحمض داخل الخلايا أعلى من تركيز الـ DMSP الأصلي، مما يشير إلى أن عملية التحويل سريعة وفعالة. كما أن وجود الحمض في المياه الذائبة يشير أيضاً إلى أن البكتيريا تطلقه في البيئة، مما يضيف مصدراً بيولوجياً مباشراً للمخزون الكيميائي للمحيط.

يتحدى هذا الاكتشاف النظرة السائدة منذ فترة طويلة بأن كل حمض الميثان سلفونيك في المحيط يأتي من السماء. وبينما لا يزال الترسيب الجوي يلعب دوراً، فإن الدراسة تظهر أن البكتيريا البحرية هي مصدر رئيسي ومستقل. وهذا يعني أن دورة الكبريت أكثر ترابطاً مما كان يُعتقد سابقاً، مع وجود رابط مباشر بين استقلاب الحياة المجهرية والتركيب الكيميائي لمياه البحر. ويمكن استخدام الحمض الذي تنتجه هذه البكتيريا من قبل ميكروبات أخرى كمصدر للكربون والطاقة، مما يخلق حلقة جديدة في الشبكة الغذائية.

إن التداعيات على علم المناخ عميقة. فحامض الميثان سلفونيك هو مكون رئيسي في تكوين نوى تكثف السحب، وهي الجسيمات الصغيرة التي تتكون حولها قطرات السحب. تعكس السحب ضوء الشمس، مما يبرد الكوكب. وإذا كان جزء كبير من هذا الحمض يتولد مباشرة في المحيط بدلاً من وصوله من الغلاف الجوي، فإن ذلك يغير كيفية حساب العلماء لتوازن الكبريت بين البحر والسماء. وهذا يشير إلى أن النشاط البيولوجي للمحيط نفسه هو محرك أكثر نشاطاً لتكوين السحب وتنظيم المناخ مما توقعته النماذج.

من خلال تتبع مسار جزيء واحد من درع واقٍ في خلية نبات عوالفي إلى حمض مؤثر في المناخ في الماء، يربط هذا البحث بين العالم المجهري للإنزيمات البكتيرية ونطاق ديناميكيات المناخ العالمي. إنه يكشف أن المحيط ليس مجرد مستقبل سلبي للمواد الكيميائية الجوية، بل هو مولد نشط لها، مدفوع بالعمليات الاستقلابية لسكانها غير المرئيين. ويوفر هذا العمل صورة أوضح لكيفية تشكيل الحياة في البحر لكيمياء الكوكب، مذكراً إيانا بأن حتى أصغر الكائنات تلعب دوراً حاسماً في أنظمة الأرض.