Основным путем связывания углерода в океане является рост, агрегация и погружение фитопланктона—одноклеточных микроводорослей, таких как диатомовые водоросли. Подобно растениям на суше, фитопланктон поглощает углерод из атмосферного углекислого газа. Когда клетки водорослей объединяются, они тонут и забирают с собой на дно океана поглощенный углерод. На этот так называемый биологический углеродный насос приходится около 70% ежегодного мирового экспорта углерода в глубокий океан. По оценкам, от 25 до 40 процентов углекислого газа, образующегося в результате сжигания ископаемого топлива, выбрасываемого людьми, могло быть перенесено этим процессом из атмосферы на глубину ниже 1000 метров, где углерод может храниться в течение тысячелетий.

Быстрое бактериальное сообщество

Тем не менее, даже это очень важно, до сих пор плохо изучено, как процесс углеродного насоса работает на молекулярном уровне. Ученые исследовательской группы Marine Glycobiology, которая находится в Институте морской микробиологии Макса Планка и MARUM—Центре морских экологических наук при Бременском университете, исследуют в этом контексте морские полисахариды—то есть соединения, состоящие из нескольких сахарных единиц,—которые производятся микроводорослями. Эти морские сахара очень различны на структурном уровне и относятся к самым сложным биомолекулам, встречающимся в природе. Одна-единственная бактерия не способна переработать эту сложную сахарную смесь. Поэтому необходим целый букет метаболических путей и ферментов. В природе это достигается сообществом различных бактерий, которые тесно и очень эффективно работают вместе—идеальная скоординированная команда. Это бактериальное сообщество работает настолько хорошо, что большая часть микроводорослевых сахаров деградирует до того, как они объединяются и начинают тонуть. Поэтому большое количество поглощенного углерода выбрасывается обратно в атмосферу.

Но как это возможно, что, тем не менее, много углерода все еще транспортируется в глубоководные слои? Ученые из группы Marine Glycobiology теперь выявили компонент, который может быть вовлечен в этот процесс, и опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications. "Мы обнаружили микромолекулярный фукозосодержащий сульфатированный полисахарид, сокращенно FCSP, который устойчив к микробной деградации",-говорит Сильвия Видаль-Мельгоса, первый автор статьи. "Это открытие бросает вызов существующей парадигме, согласно которой полисахариды быстро разлагаются бактериями." Это предположение является причиной того, что сахара до сих пор игнорируются как поглотитель углерода. Анализ бактериального сообщества, проведенный учеными из отдела молекулярной экологии Института молекулярной экологии в Бремене и Университета Грайфсвальда, показал, что бактерии имеют низкое обилие ферментов для деградации этого сахара.

Важнейшей частью открытия является то, что этот устойчивый к микробам сахар образует частицы. Во время роста и после смерти одноклеточные диатомовые водоросли выделяют большое количество неизвестных липких длинноцепочечных сахаров. С увеличением концентрации эти сахарные цепи слипаются и образуют молекулярные сети. Другие компоненты прикрепляются к этим маленьким сахарным хлопьям, таким как другие кусочки сахара, клетки диатомовых водорослей или минералы. Это делает агрегаты больше и тяжелее, и поэтому они тонут быстрее, чем отдельные клетки диатомовых водорослей. Этим частицам требуется около десяти дней, чтобы достичь глубины 1000 метров—часто гораздо больше. Это означает, что липкая сахарная сердцевина должна сопротивляться биодеградации, по крайней мере, так долго, чтобы удерживать частицу вместе. Но это очень трудно, так как бактерии, питающиеся сахаром, очень активны и всегда голодны.

Новый метод анализа морских сахаров

Для того чтобы разгадать структуры полисахаридов микроводорослей и выявить устойчивые липкие сахара, ученые исследовательской группы Marine Glycobiology тестируют новые методы. Это необходимо, потому что морские сахара содержатся в сложных смесях органических веществ. В этом исследовании они использовали метод, который берет свое начало из медицинских и растительных исследований. Он сочетает в себе высокую пропускную способность микрочипов со специфичностью зондов моноклональных антител. Это означает, что ученые извлекли молекулы сахара из образцов морской воды и вставили их в машину, которая работает как принтер, который использует не чернила, а молекулы. Молекулы отдельно "печатаются" на нитроцеллюлозной бумаге в виде микрочипа. Микрочип похож на микрочип, маленький, как ноготь, но может содержать сотни образцов. Как только извлеченные молекулы напечатаны на матрице, можно проанализировать присутствующие на них сахара. Это достигается с помощью зондов с моноклональными антителами. К массивам добавляются единичные антитела, и поскольку они реагируют только с одним конкретным сахаром, ученые могут видеть, какие сахара присутствуют в образцах.

"Новое применение этой технологии позволило нам одновременно отслеживать судьбу нескольких сложных молекул сахара во время цветения водорослей",-говорит Сильвия Видаль-Мельгоса. "Это позволило нам обнаружить накопление сахара FCSP, в то время как многие другие обнаруженные полисахариды были деградированы и не накапливали углерод." Данное исследование доказывает новое применение этого метода. "Примечательно, что сложные углеводы ранее не измерялись в окружающей среде с таким высоким молекулярным разрешением",-говорит Ян-Хендрик Хехеманн, руководитель группы Морской гликобиологии и старший автор исследования. "Следовательно, это первый набор данных по экологической гликомике и, следовательно, ссылка для будущих исследований о микробной деградации углеводов".

Следующий шаг: Поиск частиц в глубоком море

Открытие FCSP в диатомовых водорослях с продемонстрированной стабильностью и адгезивными свойствами обеспечивает ранее нехарактерный полисахарид, который способствует образованию частиц и, следовательно, потенциально связыванию углерода в океане. Один из следующих шагов в исследовании - "выяснить, существуют ли частицы этого сахара в глубоком океане", говорит Хехеманн. - Это указывает на то, что сахар стабилен и является важным игроком в биологическом углеродном насосе." Кроме того, наблюдаемая устойчивость к бактериальной деградации, а также структура и физико-химическое поведение диатомовых FCSP указывают на специфические биологические функции. "Учитывая его устойчивость к деградации, FCSP, который покрывает клетки диатомовых водорослей, может функционировать как барьер, защищающий клеточную стенку от микробов и их пищеварительных ферментов", - говорит Хехеманн. И последнее, но не менее важное, еще один открытый вопрос, требующий решения: Эти частицы сахара были найдены в Северном море недалеко от острова Гельголанд. Существуют ли они также в море других регионов мира?

ИСТОЧНИК