Upptäckten att stora mängder av bakterier i havet bär genen för proteinet rodopsin publicerades redan år 2000. Rodopsin ger bakterier möjlighet att omvandla solenergi till kemisk energi. Eftersom upp mot 70 procent av bakterierna i havet bär genen, har den en stor betydelse för jordens näringskedja. 

– Upptäckten av rodopsin hos havsbakterier visade oss en ny sorts fotosystem som vi ännu inte vet så mycket om. Den stora frågan är hur stor del av sitt energibehov som jordens biologiska system fångar in med hjälp av rodopsiner, säger Jarone Pinhassi. 

Framgången för metagenomik

Upptäckten av rodopsin i haven brukar ses som en av de tidiga framgångarna inom metagenomik, storskalig genomik i mikrobiella samhällen. Bland de som tidigt använde metoden för att undersöka livet i haven finns Craig Venter, mest känd för att vara först med att kartlägga den mänskliga arvsmassan. Han seglade jorden runt för att samla in prover och som doktorand lyckades Jarone Pinhassi bli en del av projektet att sekvensera utvalda bakterier. 

– Vi lyckades få 25 av de bakterier som vi isolerat ur havsvatten sekvenserade i projektet. Där fann vi flera som kunde producera rodopsin. Samtidigt insåg vi att ingen tidigare hade gjort experiment med bakterier som kunde tillverka proteinet. 

I sina första försök kunde Jarone Pinhassi och hans kollegor visa att bakterierna mycket riktigt var känsliga för ljus. Genom att odla bakterierna i olika ljusförhållanden såg man att de också fick en rejäl skjuts av att växa i ljus. Senare kunde de även visa hur förmågan att använda ljus försvann om genen för rodopsin slogs ut. 

Provtagning utanför Öland

Varannan vecka tar sig Linneuniversitetets forskare en dryg mil utanför kusten vid Kårehamn på Öland. Där finns provtagningsstationen LMO, Linnaeus mikrobiella observatorium. Sedan år 2011 har de hämtat vattenprover för att följa hur mikrober i havet påverkas av förändringar i vattenmiljön. Proverna har gett dem en unik tidsserie som är viktig för att förstå vad som händer i havet när tillväxtförhållanden och ljusförhållanden förändras. 

– Vi har sett att solenergin är viktig för bakteriernas tillväxt när andra näringsämnen minskar. En första beräkning har visat att rodopsinet kan öka bakteriernas tillväxt med upp till 30 procent, säger Jarone Pinhassi.

Proteinet är därför en viktig länk i jordens näringskedja. I dag vet vi att mikroskopiska alger i haven absorberar ungefär 140 miljoner ton kol varje dag genom sin fotosyntes– lika mycket som träden och växterna på land. När algerna dör så är det bakteriernas uppgift att bryta ned det organiska materialet. För att bryta ned algerna använder bakterierna syre, men även energin som kommer från de solfångande rodopsinerna. 

Men exakt vilka processer hos bakterierna som bäst nyttjar solens strålar är hittills okänt. Som Wallenberg Scholar har Jarone Pinhassi tagit sig an uppgiften att undersöka detta på genomnivå. 

– Drömmålet skulle vara att kunna beskriva de centrala processerna inuti bakterien som kräver energi: från syntesen av nedbrytande enzymer till transporten av dem till cellytan, och sedan nedbrytning av organiskt material och upptag av näringen. Detta samtidigt som vi kan visa hur solenergin används i varje process. 

Nya havsexperiment

Nu planeras fler experiment, såväl i Östersjön som i Medelhavet och Atlanten, för att undersöka bakteriernas behov av rodopsin när det saknas näringsämnen som fosfor och kväve. En av utmaningarna i projektet är att separera bakterierna från alger. 

– I havet lever de tätt intill varandra vilket gör det svårt att skilja på hur mycket energi som genereras av algernas fotosyntes och den energi som genereras av rodopsinet. 

Till sin hjälp har Pinhassis forskargrupp flera tekniker för att kartlägga vilka gener som är aktiva hos bakterierna, till exempel metagenomik och metatranskriptomik. De kan även märka utvalda proteiner hos bakterierna med radioaktivitet för att se om de blir fler eller färre när bakterierna träffas av solljus.

En av de största forskningsutmaningarna är att våga formulera frågorna. En långsiktig finansiering lyfter tanken och gör att man vågar mer.

Även om Jarone Pinhassi bedriver grundforskning så pekar han på flera tillämpningar av kunskapen om rodopsiner inom biokemi och biofysik. Bland annat för att transportera läkemedel med hjälp av ljus mellan kroppens celler, ett område som kallas optogenetik. 

– Ett annat intressant område är vid odling av alger eller olika sorters fisk. Här skulle skräddarsydda bakterier kunna bidra med bland annat vitaminer till odlingarna utan att konkurrera om befintliga näringsämnen då de kan få sin energi från rodopsin. 

Jarone Pinhassi är född och uppvuxen i Lund men utbildad vid Umeå universitet där han också doktorerade på studier av populationsdynamik hos bakterier. Efter en tid som postdoktor i Barcelona lockades han till Kalmar där Linneuniversitetet satsat på uppbyggnaden av en forskningsmiljö inom marin mikrobiologi. 

– I dag har vi vuxit till närmare femton forskare med akvatiskt fokus och har tillsammans skapat en miljö som blivit internationellt erkänd. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström