Устойчивый переносчик углерода в океане поддаётся только командам бактерий
Морские бактерии разлагают фукоидан почти полностью. Этот углевод из бурых водорослей участвует в переносе и долгом хранении углерода в океане. Но самостоятельно ни один из изученных штаммов задачу не решал. Об этом пишет Новая Наука.
Наибольший эффект возникал там, где вместе трудились микроорганизмы с разной специализацией. В отдельных сочетаниях разложение доходило до 97,1%.
Фукоидан — не одна молекула, а семейство сульфатированных полисахаридов. Их вырабатывают бурые водоросли и некоторые диатомовые. Вещество входит в защитные оболочки клеток. Основа богата фукозой, к ней крепятся боковые цепи с ксилозой, галактозой, маннозой и другими сахарами. Связи и сульфатные группы у разных водорослей расположены неодинаково. Из-за такой структуры соединение противостоит большинству микробов. Часть органики держится в воде месяцами, попадает в тонущие частицы и уходит на глубину. От того, как быстро она распадается, зависит морской углеродный цикл.
Группа Андреаса Зихерта из ETH Zurich и Отто Кордеро из Массачусетского технологического института вместе с коллегами взяла из прибрежной воды сообщество микроорганизмов, использующих фукоидан как источник углерода. Отобрали восемь штаммов и разобрали их геномы, метаболизм и умение расщеплять отдельные участки молекулы.
Генетическая картина оказалась крайне запутанной. У отдельных бактерий насчитывалось от 13 до 127 ферментов, которые могут участвовать в расщеплении. В сообществе в целом нашли 547 уникальных ферментов. Наборы разных штаммов совпадали лишь примерно на 9%.
При обилии ферментов стратегий обнаружилось две. Одни микроорганизмы разрушали сульфатированную основу, богатую фукозой. Другие брались за боковые цепи с редкими сахарами. Поодиночке ни та, ни другая группа не разбирала структуру целиком.
Совместная работа давала результат выше простой суммы индивидуальных возможностей. Ферменты одного штамма открывали участки, недоступные другому, и партнёр продолжал расщепление. Принцип авторы назвали «разложением, ограниченным разнообразием».
Чтобы понять, нужен ли клеткам прямой контакт, одним штаммам скармливали остатки фукоидана, предварительно обработанные другими. Прежде закрытые участки после такой подготовки становились доступными. Значит, синергия держится на взаимодополняющих наборах ферментов, а не на физическом взаимодействии.
Затем проверили все 127 комбинаций семи стабильно работавших штаммов. По данным о сообществах из одного — трёх штаммов построили упрощённую модель со специализацией на основной цепи и боковых сахарах. Прогноз срабатывал для сообществ до семи штаммов.
Принцип подтвердился и на других образцах. Бактерии испытали на девяти фукоиданах разной структуры из разных водорослей. Разделение труда сохранялось, что говорит об общем механизме переработки сложных полисахаридов в море.
Смысл в том, что вещество сохраняется не из-за невозможности разрушения, а из-за отсутствия нужного набора микробов в конкретном месте. Нет одного специалиста — часть молекулы остаётся нетронутой. Собрались все — распад резко ускоряется.
Это помогает объяснить долговременное хранение углерода. Бурые и диатомовые водоросли дают около пятой части первичной продукции океана, а их биомасса ежегодно переносит в глубины огромные объёмы углерода. Фукоидан занимает заметную долю клеточных стенок и слизистых веществ, и его устойчивость к микробам подпитывает этот процесс.
Работа при этом не доказывает, что найденные сообщества напрямую задают объём углерода, который океан забирает из атмосферы, и уж точно не позволяет рассчитать их влияние на климат. Многое проверялось на реконструированных сообществах в лаборатории. Природные данные показали, что дополняющие друг друга бактерии встречаются вместе и в океане, но масштаб их роли ещё предстоит оценить.
Следующий шаг — проверка механизма в разных морских экосистемах. Учёным нужно понять, насколько состав микробов определяет, как долго фукоидан живёт в природе, и работает ли принцип для других устойчивых органических веществ. Есть и прикладной интерес: для переработки сложной биомассы не обязательно выводить один микроорганизм на десятки химических задач — можно собирать сообщества специалистов. Статья вышла в Nature.
