Международная группа учёных, объединяющая химиков, микробиологов и экологов, создала молекулярный зонд, способный светиться при расщеплении сахаров. Как сообщается в публикации журнала JACS, это новаторское достижение позволяет в реальном времени наблюдать за микроскопической «борьбой» между водорослями и потребляющими их сахара микробами в океане.
Сахара играют ключевую роль в морских экосистемах, однако до сих пор не до конца ясно, каким образом микробы их расщепляют, и способны ли они справиться со всеми их разновидностями. Ян-Хендрик Хехеманн из Института морской микробиологии Макса Планка подчёркивает, что разработка этого зонда теперь даёт возможность наблюдать за процессом «вживую». Петер Зеебергер из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка добавляет, что это открывает новые горизонты для исследований.
Водоросли являются важнейшими участниками глобального углеродного цикла, поглощая углекислый газ и преобразуя его в кислород и органическое вещество, где сахара занимают центральное место. Однако не все сахара одинаково доступны для микроорганизмов. Некоторые из них настолько сложны, что лишь немногие виды микробов обладают необходимыми ферментами для их расщепления. Если такие «неперевариваемые» сахара не разлагаются, содержащийся в них углерод может опускаться на морское дно и оставаться там в ловушке на протяжении столетий. Определение того, какие именно микробы способны расщеплять конкретные сахара, долгое время представляло серьёзную проблему для учёных, особенно в условиях разнообразных океанических экосистем.
Для решения этой задачи исследовательская группа применила метод автоматической сборки гликанов, создав сахар, меченный двумя флуоресцентными красителями. Эти красители взаимодействуют посредством так называемого фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET), функционируя как молекулярный переключатель. В неповреждённом состоянии зонд остаётся «тёмным», но как только фермент разрушает его углеводный скелет, он начинает излучать свет. Это позволяет учёным точно видеть, где и когда происходит расщепление сахара. Эффективность зонда была успешно продемонстрирована на примере отслеживания метаболизма α-маннана – полисахарида, часто встречающегося в цветении водорослей. Тестирование показало его работоспособность как в ферментных реакциях in vitro, так и в бактериальных экстрактах, живых клеточных культурах и даже в сложных микробных сообществах.
Рудольф Аманн из Института морской микробиологии Макса Планка называет это исследование прекрасным примером междисциплинарного сотрудничества между институтами общества Макса Планка. Он отмечает, что FRET-гликаны предоставляют учёным новый мощный инструмент для изучения взаимодействия фитопланктона и бактериопланктона в океане.
Возможность отслеживать метаболизм α-маннана благодаря этому гликановому зонду открывает новые перспективы для исследования микробного метаболизма, при этом не требуя предварительных знаний о геноме. Теперь исследователи могут локализовать активные деструкторы непосредственно в их среде обитания, прослеживать динамику распада гликанов в пространстве и времени, а также количественно оценивать скорость их оборота в многокомпонентных сообществах. Этот инструмент прокладывает путь к более глубокому пониманию цикла гликанов в различных экосистемах – от цветений водорослей в океане до микробиома кишечника человека. Наблюдая, какие микробы активируются и при каких условиях, учёные смогут устанавливать связь между конкретными ферментативными активностями и экологическими процессами, что в конечном итоге приведёт к более точному пониманию потоков углерода в океане.
Сахара занимают центральное место в морском углеродном цикле, подытоживает первый автор исследования Конор Кроуфорд из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка. При помощи нового FRET-зонда учёные теперь могут ответить на фундаментальные вопросы: «Кто что ест, где и когда?»
