Сначала лакомства, потом жесткое: Бактериальный план питания для разложения водорослей

Каждой весной в Северном море микроскопические водоросли массово размножаются и выделяют в воду большое количество сахаров — настоящее пиршество для бактерий. Ученые из Института морской микробиологии Макса Планка и Грайфсвальдского университета исследовали порядок бактериального «меню»: сначала легкоусвояемые вкусные кусочки, потом жесткие. Это понимание стало возможным благодаря изучению специальных бактериальных белков, которые могут быть ключом к пониманию круговорота углерода в океане.

Ежегодные весенние цветения водорослей играют важную роль для климата, удаляя из атмосферы большие количества углекислого газа. Однако это явление недолговечно. Большая часть углерода высвобождается в воду после гибели водорослей. Там бактерии уже ждут, чтобы доесть их остатки и потребить.

Предыдущие исследования показали, что в этих цветениях каждый год могут преобладать разные виды водорослей. Однако среди бактерий, разлагающих водоросли, из года в год преобладают одни и те же специализированные группы. Очевидно, не сами водоросли, а их компоненты — прежде всего цепи молекул сахара, так называемые полисахариды — определяют, какие бактерии будут процветать. Однако детали бактериального ответа на пиршество из водорослей до сих пор полностью не изучены.

Метапротеомика: Изучение бактериальных белков в массе

Поэтому Бен Фрэнсис вместе с коллегами из Института морской микробиологии Макса Планка, Грайфсвальдского университета и MARUM — Центра наук о морской среде Бременского университета — пристальнее изучили внутренние процессы бактерий. «Мы сосредоточились на методе, называемом метапротеомикой, который предполагает изучение всех белков в микробном сообществе, в нашем случае в морской воде», — объясняет Фрэнсис. «В частности, мы изучали белки-транспортеры, чья активность критически важна для понимания поглощения водорослевых сахаров бактериальными клетками».

В метапротеомных данных ученые увидели, что эти белки-транспортеры со временем заметно менялись. «Мы наблюдали выраженный сдвиг в количестве белков-транспортеров, предположительно участвующих в поглощении различных типов полисахаридов», — продолжает Фрэнсис. «Это указывает на то, что бактерии сначала в основном сосредотачиваются на «легко разлагаемых» субстратах, таких как ламинарин и крахмал. Затем позже они переходят к атаке на «труднее разлагаемые» полимеры, состоящие из маннозы и ксилозы».

Один сахар за другим

Другими словами, бактерии сначала идут по легкому пути, и только когда лакомства съедены, они нацеливаются на жесткие кусочки. Когда происходит этот сдвиг? Бен Фрэнсис и его коллеги видят два возможных триггера: это может происходить, когда конкуренция за легкодоступную пищу усиливается из-за быстрого размножения бактерий в этой богатой среде. Или, альтернативно, это больше зависит от водорослей: как только цветение водорослей разрушается и гибнет больше водорослей, накапливается больше жестких субстратов, и они становятся жизнеспособным источником пищи.

Несмотря на многолетнее изучение динамики цветения водорослей и бактерий в Северном море, этот временной ход до сих пор оставался незамеченным. «Сочетание передовых протеомных методов с методами подготовки образцов, которые специально учитывают высокую сложность этих очень сложных образцов, позволило нам создать один из самых полных наборов протеомных данных с более чем 20 000 белковых групп. Эти данные показали, что субстратная специфичность белков-транспортеров меняется со временем. Эти изменения не были видны в соответствующем наборе метагеномных данных, используемом для исследования бактериального разнообразия», — говорит Дёрте Бехер из Грайфсвальдского университета. «Это ясно показывает, что нам нужно копать очень глубоко, чтобы понять лежащие в основе экологические процессы, управляющие морским круговоротом углерода». Количественное определение белков-транспортеров действительно может стать важным элементом в решении чрезвычайно сложной головоломки морского цикла углерода.

Комбинация методов позволяет получить новые знания

«Это детальное «мета-протеогеномное» исследование сочетает исключительный опыт Грайфсвальдского университета в идентификации и количественном определении белков в сложных природных образцах с нашим опытом в области молекулярной микробной экологии», — говорит соавтор исследования Рудольф Аманн, директор Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене. «Наши результаты показывают, что сложный гетеротрофный микробиом Северного моря реагирует на цветение фитопланктона не только сменой видов бактерий, обусловленной субстратом, но и отчетливыми изменениями в экспрессии белков-транспортеров и деградативных ферментов».

В конечном итоге именно сочетание различных методов позволит углубить наши знания о молекулах, ферментативных реакциях и скоростях, лежащих в основе морского цикла углерода, что является необходимым условием для прогнозирования и управления уровнем углекислого газа в атмосфере.