Микропланктон использует липиды для «умного» плавания при нехватке питательных веществ

Биофизики из Люксембургского университета выяснили, как микропланктон — ключевые фотосинтезирующие организмы, производящие почти 50% кислорода, которым мы дышим, — переходит на «экономный режим» при ограничении питательных веществ. Они стратегически используют внутренние липиды для регулирования плавательных свойств, чтобы максимизировать свою приспособленность.

Профессор Анупам Сенгупта и его команда обнаружили этот эволюционный трюк, изучая вредоносные виды фитопланктона, вызывающие цветение воды. Для этого использовались количественные методы визуализации разных масштабов, аналитические и физиологические измерения, гидродинамическое моделирование и математические расчёты.

Точное отслеживание внутриклеточных органелл (их размера и положения в клетке) и поведения при плавании выявило возникающую синергию между активным движением липидов и формой клетки. В конечном итоге это позволяет микропланктону перемещаться в динамичных ландшафтах питательных веществ. Эти новаторские результаты опубликованы в Science Advances.

Питательные вещества для микробов становятся дефицитными: неизбежное следствие изменения климата

По мере потепления открытого океана изменяющиеся течения и усиление стратификации усугубляют ограничение питательных веществ, снижая первичную продукцию. Способность к вертикальной миграции даёт подвижному фитопланктону решающее — но энергетически затратное — преимущество, позволяя перераспределяться по вертикали для роста, поглощения питательных веществ и накопления энергии в бедных питательными веществами водах.

За последние годы профессор Сенгупта стал пионером в открытии изощрённых биомеханических стратегий, которые фитопланктон использует для адаптации к изменениям среды обитания, например, из-за турбулентности океана (Nature, 2017), и защитных механизмов раннего предупреждения перед лицом биофизических стрессов (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021).

Оставалось неизвестным, как эти крошечные, но незаменимые микробы адаптируются к меняющимся ландшафтам питательных веществ, что в значительной степени обусловлено изменением климата. Теперь исследователи из группы «Физика живой материи» под руководством профессора Сенгупты раскрыли судьбу фитопланктона с помощью междисциплинарного исследования, охватывающего микробиологию, физику, математику и численное моделирование.

На примере микропланктона, вызывающего «красные приливы», исследование показывает, как виды используют липидные капли — до сих пор известные как органеллы для хранения энергии — в качестве биомеханических триггеров для регулирования плавательных свойств при нехватке питательных веществ. Активно контролируя положение и размер липидных капель, клетки могут решать, плыть ли вверх или вниз. Это ключевая черта выживания фотосинтезирующих микробов, поскольку их вертикальное положение в толще воды определяет доступность света и питательных веществ.

Междисциплинарный подход и работа в разных масштабах были ключом к открытию

Наряду с внутриклеточным отслеживанием и количественной оценкой плавательных свойств с использованием специальной установки «Океан-в-лаборатории», команда профессора Сенгупты измерила изменения в способности планктона преобразовывать свет в энергию и в производстве активных форм кислорода — ключевого маркера физиологического стресса. В совокупности результаты связывают внутриклеточную реорганизацию с биомеханикой плавания и, кроме того, предоставляют механистическую основу для оценки энергетических затрат на добычу ресурсов в условиях их ограниченного поступления.

Сочетание покадровой съёмки отдельных клеток, визуализации скорости частиц в плавающих популяциях, численного моделирования, методов микробиологии и аналитических техник было решающим для этого прорывного открытия. Это междисциплинарное исследование открывает новые горизонты в изучении активной и «интеллектуальной» микробной материи и даёт свежий взгляд на адаптацию микробов к изменениям окружающей среды, включая изменения, вызванные климатом и образом жизни.