Флуоресцентные сахара помогли ученым увидеть, как микробы перерабатывают углерод в океане

Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07546

Команда химиков, микробиологов и экологов разработала молекулярный зонд (молекулу, предназначенную для обнаружения белков или ДНК внутри организма), который начинает светиться, когда сахар потребляется микроорганизмами.

В статье для Journal of the American Chemical Society ученые описали, как этот зонд помогает изучать микроскопическую «борьбу» между водорослями и микробными деструкторами в океане.

«Сахара повсеместно встречаются в морских экосистемах, но до сих пор неясно, могут ли микробы разлагать их все и как именно», — говорит Ян-Хендрик Хееманн из Института морской микробиологии Макса Планка и Центра MARUM по исследованию морской среды в Бремене.

«Новый зонд позволяет наблюдать этот процесс в реальном времени», — добавляет Петер Зеебергер из Института коллоидов и границ Макса Планка.

Сахара и углеродный цикл

Водоросли поглощают углекислый газ и преобразуют его в кислород и органическое вещество. Сахара играют ключевую роль в этом процессе. Однако не все сахара легко разлагаются. Некоторые настолько сложны, что большинство микробов не могут их переварить. Это позволяет углероду опускаться на дно океана, где он остается веками, пока не появятся нужные ферменты. Определение того, какие микробы разлагают какие сахара, долгое время оставалось сложной задачей, особенно в сложных микробиомах.

Изображение диатомовой водоросли Conticribra weissflogii (красный) и структур сахарных полимеров, которые она выделяет (синий). Автор: Марлен Райх, 2024

Как работает флуоресцентный зонд

Чтобы решить эту проблему, команда использовала автоматизированную сборку гликанов для создания сахара, помеченного двумя флуоресцентными красителями. Эти красители взаимодействуют через процесс, называемый резонансным переносом энергии Фёрстера (FRET). Вместе они работают как молекулярный переключатель. Пока зонд цел, он остается темным. Но как только фермент разрывает сахарную цепь, зонд начинает светиться. Таким образом, исследователи могут увидеть, где и когда происходит разложение сахара. В экспериментах команда отслеживала распад α-маннана — полисахарида (длинной цепи сахаров), встречающегося в цветении водорослей. Зонд работал как с очищенными ферментами, так и в бактериальных лизатах, живых культурах и даже микробных сообществах.

«Это исследование — прекрасный пример междисциплинарного сотрудничества между институтами Макса Планка. Теперь у нас есть новый инструмент для изучения взаимодействий фитопланктона и бактериопланктона в океане», — говорит Рудольф Аманн из Института морской микробиологии Макса Планка.

Новые возможности для науки

Благодаря возможности отслеживать распад α-маннана этот гликановый зонд открывает новые пути для изучения микробного метаболизма без необходимости предварительного геномного анализа. Теперь ученые могут выявлять активных деструкторов in situ, отслеживать процесс разложения гликанов в пространстве и времени, а также измерять скорость обмена в сложных сообществах. Этот инструмент позволяет глубже понять циклы гликанов в различных экосистемах — от океанических цветений водорослей до микрофлоры кишечника человека.

Наблюдая, какие микробы активируются и при каких условиях, ученые смогут связать конкретные ферментативные процессы с экологическими изменениями и, в конечном итоге, лучше понять углеродный цикл в океане.

«Сахара играют центральную роль в морском углеродном цикле, — подводит итог первый автор исследования Конор Кроуфорд из Института коллоидов и границ Макса Планка. — С этим FRET-зондом мы можем задать вопрос: Кто что ест, где и когда?»

Дополнительная информация: Conor J. Crawford et al, Activity-Based Tracking of Glycan Turnover in Microbiomes, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c07546

Источник: Общество Макса Планка