Быстрое бактериальное сообщество
Тем не менее, даже это очень важно, все еще плохо понимается, как процесс угольного насоса работает на молекулярном уровне. Ученые из исследовательской группы «Морская гликобиология», которая находится в Институте морской микробиологии Макса Планка и в MARUM – Центре исследований морской среды при Бременском университете, исследуют в этом контексте морские полисахариды, то есть соединения, состоящие из нескольких сахарных единиц. – которые производятся микроводорослями. Эти морские сахара очень различаются на структурном уровне и относятся к наиболее сложным биомолекулам, встречающимся в природе.
Одна-единственная бактерия не способна переработать эту сложную сахарную смесь. Следовательно, необходим целый набор метаболических путей и ферментов.
В природе это достигается за счет сообщества различных бактерий, которые тесно и очень эффективно работают вместе – идеальная слаженная команда. Это бактериальное сообщество работает настолько хорошо, что большая часть сахаров микроводорослей разлагается, прежде чем они сгруппируются и начнут опускаться.
Таким образом, большое количество изолированного углерода выбрасывается обратно в атмосферу.
Но как это возможно, что, тем не менее, много углерода все же транспортируется в глубоководные районы?? Ученые из группы «Морская гликобиология» выявили компонент, который может участвовать в этом процессе, и опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications. «Мы обнаружили сульфатный полисахарид, содержащий фукозу из микроводорослей, сокращенно FCSP, который устойчив к микробной деградации», – говорит Сильвия Видаль-Мельгоса, первый автор статьи. "Это открытие ставит под сомнение существующую парадигму о том, что полисахариды быстро разлагаются бактериями."Это предположение является причиной того, что сахар игнорируется как поглотитель углерода – до сих пор. Анализы бактериального сообщества, проведенные учеными из отдела молекулярной экологии MPI в Бремене и Университета Грайфсвальда, показали, что бактерии имеют низкое содержание ферментов для разложения этого сахара.
Важной частью открытия является то, что этот устойчивый к микробам сахар образовывал частицы. Во время роста и после смерти одноклеточные диатомеи выделяют большое количество неизвестных липких длинноцепочечных сахаров. С увеличением концентрации эти сахарные цепи слипаются и образуют молекулярные сети. К этим маленьким сахарным хлопьям присоединяются другие компоненты, такие как кусочки сахара, клетки диатомовых водорослей или минералы.
Это делает агрегаты больше и тяжелее, и поэтому они тонут быстрее, чем отдельные клетки диатомовых водорослей. Этим частицам требуется около десяти дней, чтобы достичь глубины 1000 метров – часто намного дольше. Это означает, что липкая сахарная сердцевина должна противостоять биоразложению, по крайней мере, так долго, чтобы удерживать частицы вместе. Но это очень сложно, так как поедающие сахар бактерии очень активны и всегда голодны.
Новый метод анализа морских сахаров
Чтобы раскрыть структуру полисахаридов микроводорослей и выявить устойчивые липкие сахара, ученые исследовательской группы Marine Glycobiology тестируют новые методы. Это необходимо, потому что морской сахар содержится в сложных смесях органических веществ.
В случае этого исследования они использовали метод, основанный на медицинских исследованиях и исследованиях растений. Он сочетает в себе высокую пропускную способность микрочипов со специфичностью зондов моноклональных антител.
Это означает, что ученые извлекли молекулы сахара из образцов морской воды и вставили их в машину, работающую как принтер, в которой используются не чернила, а молекулы. Молекулы отдельно «печатаются» на нитроцеллюлозной бумаге в виде микрочипа.
Микроматрица похожа на микрочип, маленький, как ноготь, но может содержать сотни образцов. После того, как экстрагированные молекулы напечатаны на матрице, можно анализировать присутствующие в них сахара. Это достигается с помощью зондов моноклональных антител. В массивы добавляются отдельные антитела, и, поскольку они реагируют только с одним конкретным сахаром, ученые могут видеть, какие сахара присутствуют в образцах.
«Новое применение этой технологии позволило нам одновременно отслеживать судьбу нескольких сложных молекул сахара во время цветения водорослей», – говорит Сильвия Видаль-Мельгоса. «Это позволило нам обнаружить накопление FCSP сахара, в то время как многие другие обнаруженные полисахариды разложились и не накапливали углерод."Это исследование доказывает новое применение этого метода. «Примечательно, что сложные углеводы ранее не измерялись в окружающей среде с таким высоким молекулярным разрешением», – говорит Ян-Хендрик Хехеманн, руководитель группы «Морская гликобиология» и старший автор исследования. "Следовательно, это первый набор данных по гликомике окружающей среды и, следовательно, ссылка на будущие исследования микробной деградации углеводов."
Следующий шаг: поиск частиц в глубоком море
Открытие FCSP у диатомовых водорослей с продемонстрированной стабильностью и адгезионными свойствами дает ранее не охарактеризованный полисахарид, который способствует образованию частиц и, возможно, тем самым связыванию углерода в океане. Один из следующих шагов в исследовании – «выяснить, существуют ли частицы этого сахара в глубинах океана», – говорит Хехеманн. "Это означает, что сахар стабилен и играет важную роль в биологическом углеродном насосе."Кроме того, наблюдаемая стабильность против бактериальной деградации, а также структура и физико-химическое поведение FCSP диатомей указывают на определенные биологические функции. «Учитывая его устойчивость к деградации, FCSP, который покрывает клетки диатомовых водорослей, может действовать как барьер, защищающий клеточную стенку от микробов и их пищеварительных ферментов», – говорит Хехеманн.
И наконец, что не менее важно, еще один открытый вопрос, который необходимо решить: эти частицы сахара были обнаружены в Северном море недалеко от острова Гельголанд. Существуют ли они также в море других регионов мира??