Группа химиков, микробиологов и экологов разработала молекулярный зонд (молекулу, предназначенную для обнаружения белков или ДНК внутри организма, например), который светится, когда сахар потребляется.
В Журнале Американского химического общества они описывают, как этот зонд помогает исследователям изучать микроскопическую борьбу за выживание между водорослями и микробами-деструкторами в океане.
«Сахара повсеместно распространены в морских экосистемах, но до сих пор неясно, могут ли микробы расщеплять их все и как это происходит», — говорит Ян-Хендрик Хехманн из Института морской микробиологии Макса Планка и Центра морских наук об окружающей среде MARUM, расположенных в Бремене.
«Новый зонд позволяет нам наблюдать за этим процессом в реальном времени», — добавляет Питер Зибергер из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка.
Водоросли поглощают углекислый газ и превращают его в кислород и органические вещества. Сахара являются ключевой частью этого процесса. Однако не все сахара легко расщепляются. Некоторые из них настолько сложны, что большинство микробов с трудом их переваривают. Это позволяет углероду опускаться на дно океана, где он остаётся на столетия, пока не появятся нужные ферменты.
Идентификация того, какие микробы расщепляют какие сахара, была давней задачей, особенно в сложных микробных сообществах.
Чтобы решить эту проблему, команда использовала автоматизированную сборку гликанов для создания сахара, помеченного двумя флуоресцентными красителями. Эти красители взаимодействуют посредством процесса, называемого резонансным переносом энергии Ферстера (FRET). Вместе они функционируют как молекулярный переключатель. Когда зонд цел, он остаётся тёмным. Однако, как только фермент расщепляет основу сахара, зонд загорается. Таким образом, исследователи могут видеть, где и когда сахар расщепляется.
В своих экспериментах команда отслеживала оборот α-маннана — полисахарида (длинной сахарной цепи), обнаруженного во время цветения водорослей. Гликан-зонд работал в очищенных ферментах, лизатах бактериальных клеток, живых культурах и даже микробных сообществах.
«Это исследование — прекрасный пример междисциплинарного сотрудничества между институтами Макса Планка. С помощью наших FRET-гликанов у нас появился новый инструмент для изучения взаимодействий фитопланктона и бактериопланктона в океане», — говорит Рудольф Аманн из Института морской микробиологии Макса Планка.
Благодаря возможности отслеживания оборота α-маннана этот гликан-зонд открывает новые возможности для изучения микробного метаболизма без необходимости предварительных геномных знаний. Исследователи теперь могут точно определять активных разрушителей на месте, картографировать ход распада гликанов в пространстве и времени и количественно оценивать скорость оборота в сложных сообществах.
Этот инструмент прокладывает путь к более глубокому пониманию цикла гликанов в экосистемах — от океанских цветений водорослей до кишечника человека.
Наблюдая, какие микробы активируются и при каких условиях, учёные могут связать специфическую ферментативную активность с экологическими процессами и в конечном итоге лучше понять потоки углерода в океане.
«Сахара занимают центральное место в морском углеродном цикле», — заключает первый автор Конор Кроуфорд из Института коллоидов и интерфейсов Макса Планка. «С помощью этого FRET-зонда мы можем задать вопрос: кто что, где и когда ест?»
Предоставлено Институтом Макса Планка.