Создан флуоресцентный зонд для наблюдения за тем, как микробы поедают углерод в океане

Международная группа химиков, микробиологов и экологов разработала молекулярный зонд, который начинает светиться при расщеплении сахара. Как сообщается в журнале JACS, эта инновация позволяет в реальном времени наблюдать за микроскопической конкуренцией между водорослями и микробами, потребляющими их сахара в океане.

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

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

«Новый зонд позволяет нам наблюдать за этим процессом вживую», — добавляет Петер Зеебергер из Института коллоидов и интерфейсов Общества Макса Планка.

Сахара и углерод океана

Водоросли поглощают углекислый газ и преобразуют его в кислород и органическое вещество, причём сахара играют в этом процессе центральную роль. Однако не каждый сахар легко переваривается микробами. Некоторые из них настолько сложны, что лишь немногие микроорганизмы способны их расщепить. Когда эти устойчивые сахара не поддаются разложению, содержащийся в них углерод опускается на морское дно, где может оставаться в ловушке веками, пока не появятся подходящие ферменты. Определение того, какие микробы могут переваривать конкретные сахара, долгое время оставалось проблемой для учёных, особенно в разнообразных океанских экосистемах.

Наблюдение за свечением сахаров

Чтобы решить эту проблему, команда использовала автоматизированную сборку гликанов для создания сахара, помеченного двумя флуоресцентными красителями. Эти красители взаимодействуют посредством процесса, называемого резонансным переносом энергии Фёрстера (FRET), действуя вместе как молекулярный переключатель. Зонд остаётся тёмным, пока цел, но как только фермент разрывает основную цепь сахара, он испускает свет. Это позволяет учёным точно видеть, где и когда происходит расщепление сахара. Исследователи протестировали зонд, отслеживая оборот α-маннана — полисахарида (длинной сахарной цепи), обнаруживаемого в цветении водорослей. Он эффективно работал в тестах с очищенными ферментами, бактериальными экстрактами, живыми клеточными культурами и даже в сложных микробных сообществах.

«Это исследование — замечательный пример междисциплинарного сотрудничества между институтами Макса Планка. С нашими FRET-гликанами у нас теперь есть новый инструмент для исследования взаимодействий фитопланктона и бактериопланктона в океане», — говорит Рудольф Аманн из Института морской микробиологии Общества Макса Планка.

Выявление скрытых деструкторов

Позволяя отслеживать оборот α-маннана, этот гликановый зонд открывает новые возможности для изучения микробного метаболизма без необходимости предварительных геномных знаний. Теперь исследователи могут точно определять активных деструкторов in situ, отслеживать прогресс расщепления гликанов в пространстве и времени, а также количественно оценивать скорость оборота в сложных сообществах. Этот инструмент прокладывает путь к более глубокому пониманию цикла гликанов в различных экосистемах — от океанских цветений водорослей до микробиома кишечника человека. Наблюдая за тем, какие микробы активируются и при каких условиях, учёные могут связать специфические ферментативные активности с процессами в окружающей среде и, в конечном счёте, лучше понять поток углерода в океане.

«Сахара играют центральную роль в морском углеродном цикле, — заключает первый автор статьи Конор Кроуфорд из Института коллоидов и интерфейсов Общества Макса Планка. — С помощью этого FRET-зонда мы можем задать вопрос: Кто что ест, где и когда?»