Флуоресцентные сахара показывают, как микробы потребляют углерод в океане
Команда химиков, микробиологов и экологов разработала молекулярный зонд (молекулу для детекции белков или ДНК), который начинает светиться при потреблении сахара. В Journal of the American Chemical Society они описывают, как этот зонд помогает изучать микроскопическое «перетягивание каната» между водорослями и микробными деструкторами в океане.
«Сахара повсеместно распространены в морских экосистемах, но до сих пор неясно, могут ли микробы разлагать их все и как», — говорит Ян-Хендрик Хееманн из Института морской микробиологии им. Макса Планка и MARUM.
«Новый зонд позволяет нам наблюдать этот процесс в реальном времени», — добавляет Питер Зеебергер из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка.
Сахара улавливают углерод
Водоросли захватывают CO2 и превращают его в кислород и органическое вещество, ключевую часть которого составляют сахара. 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 остаётся столетиями. Определение того, какие микробы разлагают какие сахара, было сложной задачей, особенно в сложных микробиомах.
Свечение при расщеплении сахара
Чтобы решить эту проблему, команда использовала автоматизированную сборку гликанов для создания сахара, меченного двумя флуоресцентными красителями. Эти красители взаимодействуют посредством процесса фёрстеровского резонансного переноса энергии (FRET), работая как молекулярный переключатель. Пока зонд цел, он остаётся тёмным. Но как только фермент разрывает сахарную цепь, зонд загорается. Это позволяет исследователям видеть, где и когда сахар разлагается.
В экспериментах команда отслеживала оборот α-маннана — полисахарида (длинной цепи сахаров), обнаруживаемого в цветении водорослей. Гликановый зонд работал с очищенными ферментами, бактериальными лизатами, живыми культурами и даже микробными сообществами.
«Это исследование — прекрасный пример междисциплинарного сотрудничества между институтами Макса Планка. С нашими FRET-гликанами у нас теперь есть новый инструмент для изучения взаимодействий фито- и бактериопланктона в океане», — говорит Рудольф Аманн из Института морской микробиологии им. 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. Исследователи теперь могут 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 цветения водорослей в океане до микробиома кишечника человека. Наблюдая, какие микробы активируются и при каких условиях, учёные могут связать конкретную ферментативную активность с экологическими процессами и, в конечном итоге, лучше понять поток углерода в океане.
«Сахара играют центральную роль в морском углеродном цикле, — заключает первый автор статьи Конор Кроуфорд. — С помощью этого FRET-зонда мы можем задать вопрос: Кто, что, где и когда ест?»