Морские бактерии способны почти полностью разрушать фукоидан — один из самых сложных и устойчивых углеводов бурых водорослей, участвующий в переносе и длительном хранении углерода в океане. Однако ни один из изученных штаммов не справлялся с этой задачей самостоятельно. Максимальная эффективность возникала, когда бактерии с разной специализацией работали вместе: в некоторых комбинациях они разрушали до 97,1% доступного фукоидана.
Фукоидан — это не одна конкретная молекула, а семейство сложных сульфатированных полисахаридов, которые производят бурые водоросли и некоторые диатомовые водоросли. Они входят в состав защитных оболочек клеток и отличаются чрезвычайно сложной структурой. Основа молекулы богата сахаром фукозой, к ней присоединяются боковые цепи с ксилозой, галактозой, маннозой и другими сахарами, а расположение химических связей и сульфатных групп различается у разных водорослей.
Эта сложность делает фукоидан устойчивым к действию большинства микроорганизмов. Часть такого органического вещества может сохраняться в океане месяцами, включаться в тонущие частицы и переноситься в глубокие слои воды. Поэтому скорость его разложения имеет значение для морского углеродного цикла.
Команда Андреаса Зихерта из ETH Zurich, Отто Кордеро из Массачусетского технологического института и их коллег получила из прибрежной морской воды сообщество микроорганизмов, способных использовать фукоидан в качестве источника углерода. Исследователи выделили восемь штаммов бактерий и изучили их геномы, метаболизм и способность разрушать разные части сложного полисахарида.
Анализ показал огромную генетическую сложность этой системы. Отдельные бактерии имели от 13 до 127 различных ферментов, потенциально участвующих в расщеплении фукоидана. Всего в исследованном сообществе обнаружили 547 уникальных ферментов, причём наборы у разных штаммов совпадали в среднем лишь примерно на 9%.
Несмотря на сотни ферментов, поведение бактерий удалось свести в основном к двум функциональным стратегиям. Одни микроорганизмы лучше разрушали сульфатированную основу фукоидана, богатую фукозой. Другие специализировались на боковых цепях, содержащих более редкие сахара. Ни одна из этих стратегий сама по себе не позволяла эффективно разобрать всю структуру.
Когда исследователи объединяли бактерии с взаимодополняющими способностями, результат оказался значительно выше простой суммы их индивидуальных возможностей. Одни ферменты открывали участки молекулы, ранее недоступные другим, после чего партнёр по сообществу мог продолжить расщепление. В некоторых сочетаниях такая кооперация увеличивала эффективность разложения до 97,1%.
Чтобы проверить, требуется ли бактериям непосредственное взаимодействие друг с другом, учёные давали одним штаммам остатки фукоидана, предварительно обработанные другими. Оказалось, что ранее недоступные участки после такой обработки становились пригодными для дальнейшего расщепления. Это показало, что синергия возникает прежде всего благодаря взаимодополняющим наборам ферментов, а не из-за обязательного контакта между клетками.
Затем исследователи проверили все 127 возможных комбинаций семи стабильно работавших штаммов. На основе данных о небольших сообществах из одного — трёх штаммов они построили упрощённую модель, учитывающую их специализацию на основной цепи фукоидана и боковых сахарах. Модель смогла предсказывать эффективность разложения в сообществах, содержавших до семи штаммов.
Принцип оказался применим не только к одному образцу. Исследователи испытали бактерии на девяти структурно различающихся фукоиданах из разных водорослей. Несмотря на различия между молекулами, разделение труда между бактериями сохранялось, что указывает на более общий механизм переработки сложных полисахаридов в морской среде.
Авторы называют этот принцип «разложением, ограниченным разнообразием». Сложное органическое вещество может сохраняться не потому, что его вообще невозможно разрушить, а потому, что в конкретном месте отсутствует нужное сочетание микроорганизмов. Если один из необходимых специалистов отсутствует, часть молекулы остаётся недоступной. Если же нужные функциональные группы встречаются вместе, разложение резко ускоряется.
Исследование помогает понять, почему фукоидан способен участвовать в долговременном хранении углерода. Бурые и диатомовые водоросли обеспечивают примерно пятую часть первичной продукции океана, а их биомасса и образующиеся из неё частицы ежегодно переносят в глубокие воды огромные количества углерода. Фукоидан составляет значительную долю клеточных стенок и слизистых веществ бурых водорослей и благодаря устойчивости к микробному разрушению может способствовать этому процессу.
Однако работа не показывает, что обнаруженные сообщества бактерий непосредственно определяют объём углерода, который океан удаляет из атмосферы, и тем более не позволяет рассчитать их влияние на климат. Значительная часть экспериментов проводилась с реконструированными микробными сообществами в контролируемых условиях. Хотя анализ природных данных показал, что функционально дополняющие друг друга бактерии встречаются вместе и в океане, масштаб их влияния на углеродный цикл ещё предстоит определить.
Следующим шагом станет проверка этого механизма непосредственно в разных морских экосистемах. Учёным необходимо выяснить, насколько состав микробных сообществ действительно определяет продолжительность существования фукоидана в природе и можно ли распространить обнаруженный принцип на другие устойчивые органические вещества.
Работа может иметь и прикладное значение. Для переработки сложной растительной или водорослевой биомассы необязательно создавать один микроорганизм, способный выполнять десятки разных химических задач. Вместо этого можно формировать сообщества специализированных микробов, каждый из которых выполняет свою часть процесса.
Исследование показывает, что за разложением чрезвычайно сложной молекулы может стоять сравнительно простой экологический принцип: не один универсальный микроорганизм, а команда специалистов с взаимодополняющими возможностями.
Исследование в журнале Nature.