Сахар превращает бурые водоросли в хранилища углерода

Бурые водоросли, такие как Fucus vesiculosus (фукус пузырчатый), растут вдоль всего немецкого побережья. Некоторые экологи видят в этих очень продуктивных экосистемах морской аналог тропических лесов. В этих водорослевых лесах запасаются большие количества углекислого газа, что делает их важной частью глобального углеродного цикла.

Андреас Зихерт из Института морской микробиологии Макса Планка посвятил свою диссертацию вопросу о том, как бурые водоросли могут быть таким хорошим поглотителем углерода. Основные составляющие биомассы водорослей — их клеточные стенки, плотная сеть белков и длинноцепочечных сахаров.

Прочные и гибкие

Бурые водоросли развили особую структуру клеточной стенки, делающую их прочными и гибкими. Основной компонент клеточных стенок — полисахарид фукоидан, длинноцепочечный сахар, составляющий около четверти сухой массы водоросли.

Роль этого сахара в долгом процессе деградации бурых водорослей проанализировали учёные из исследовательской группы Marine Glycobiology Института морской микробиологии Макса Планка и MARUM. Они сотрудничали с коллегами из MIT, Университета Грайфсвальда и Венского университета.

"Уже было известно, что микробные сообщества гидролизуют фукоидан медленнее, чем другие водорослевые полисахариды, и, таким образом, фукоидан может действовать как поглотитель углерода", — говорит Андреас Зихерт, первый автор исследования, опубликованного в журнале Nature Microbiology в мае 2020 года.

Только специалисты разлагают этот сахар

Учёные из Бремена проанализировали недавно выделенные бактерии рода Lentimonas (тип Verrucomicrobia). "Из первоначально более тысячи колоний только одна в итоге смогла разлагать фукоидан", — рассказывает Кристофер Х. Корзетт из MIT, также первый автор исследования.

"Мы смогли показать, что Lentimonas приобрели невероятно сложный механизм для деградации фукоидана, который использует около ста ферментов, чтобы высвободить сахар фукозу — часть фукоидана", — говорит Ян-Хендрик Хееманн, руководитель исследовательской группы. "Это, вероятно, один из самых сложных биохимических путей деградации природного материала, который мы знаем".

Фукоза затем метаболизируется через бактериальный микрокомпартмент — белковую оболочку, которая защищает клетку от токсичного промежуточного продукта лактальдегида. "Потребность в таком сложном катаболическом пути подчёркивает устойчивость фукоиданов для большинства морских бактерий и показывает, что только высокоспециализированные организмы в океане способны расщеплять этот водорослевый сахар", — говорит Хееманн. "Это может объяснить более медленный оборот водорослевой биомассы в окружающей среде и предполагает, что фукоиданы связывают углерод в океане".

Потенциал для фармакологии

Учёных также интересуют ферменты для деградации фукоидана, потому что это может быть фармакологически активная молекула, проявляющая эффекты, подобные гепарину, в свёртывании крови. "Ферменты, которые специфически фрагментируют фукоидан и таким образом помогают охарактеризовать его структуру, представляют большой научный интерес", — говорит Томас Шведер, микробиолог из Университета Грайфсвальда.