Вам они могут нравиться или нет, но почти все их знают: бурые водоросли, такие как Fucus vesiculosus, широко известные как пузырчатка, растут вдоль всего побережья Германии. Гигантские водоросли, такие как Macrocystis или Sargassum, растут близко друг к другу вдоль побережья, но могут также образовывать плавающие скопления, которые могут покрывать Атлантический океан с запада на восток. Некоторые экологи видят в этой очень продуктивной экосистеме морской аналог тропических лесов на суше. В этих водорослевых лесах накапливается большое количество углекислого газа, что делает их важной частью глобального углеродного цикла.
Андреас Зихерт из Института морской микробиологии им. Макса Планка посвятил свою докторскую диссертации вопросу о том, как бурые водоросли могут быть таким хорошим поглотителем углерода: «Основными составляющими биомассы водорослей являются их клеточные стенки - плотная сеть белков и длинноцепочечных сахаров. Когда водоросли умирают, мы на самом деле мало что знаем о судьбе биомассы водорослей в океане, например, какие соединения разлагаются быстро или медленно».
Прочный и гибкий
Атлантическое побережье не самое уютное место обитания. Приливы, ветер и волны требуют особых приспособлений от обитателей этой суровой среды. У бурых водорослей выработалась особая структура клеточной стенки, которая делает их прочными и гибкими и позволяет растению успешно противостоять сильным течениям и волнам. Основным компонентом клеточных стенок является полисахарид фукоидан, сахар с длинной цепью, составляющий около четверти сухой массы водорослей. Вероятно, фукоидан может регулировать содержание воды в клеточной стенке, которая защищает бурые водоросли от высыхания во время отлива.
Какую роль этот сахар играет в длительном процессе деградации бурых водорослей, проанализировали ученые из исследовательской группы Marine Glycobiology в Институте морской микробиологии им. Макса Планка и MARUM, Центра морских наук об окружающей среде Бременского университета.. Для своего исследования они сотрудничали с коллегами из Массачусетского технологического института, из Университета Грайфсвальда и из Венского университета. «Уже было известно, что микробные сообщества гидролизуют фукоидан медленнее, чем другие полисахариды водорослей, и поэтому фукоидан может действовать как поглотитель углерода», - говорит Андреас Зихерт из Института морской микробиологии им. Макса Планка, первый автор исследования, опубликованного в научном журнале Nature Microbiology в Май 2020 г. «Обычно полисахариды являются излюбленным источником энергии для бактерий, но причина, по которой фукоидан должен быть трудноусвояемым, осталась неясной."
Только специалисты разлагают этот сахар
До сих пор пути деградации фукоидана были известны лишь частично, но было очевидно, что они включают значительное количество ферментов, либо распределенных в микробном сообществе, либо находящихся внутри отдельных, узкоспециализированных бактерий. Ученые из Бремена рассмотрели последнюю теорию и проанализировали недавно выделенные бактерии рода Lentimonas, принадлежащие к типу Verrucomicrobia. Даже выделение этих бактерий Lentimonas было сложной задачей. «Из изначально более чем тысячи колоний только одна смогла в конце концов разложить фукоидан», - вспоминает Кристофер Х. Корзетт из Массачусетского технологического института, первый автор исследования вместе с Андреасом Зихертом.
«Мы смогли показать, что Лентимонас приобрел удивительно сложный механизм для деградации фукоидана, который использует около ста ферментов для высвобождения сахарной фукозы - части фукоидана», - говорит Ян-Хендрик Хехеманн, руководитель исследовательской группы. Морская гликобиология.«Вероятно, это один из самых сложных путей биохимического разложения природного материала, о котором мы знаем». Затем фукоза метаболизируется через бактериальный микрокомпартмент, белковую оболочку, которая защищает клетку от токсического промежуточного лакальдегида. «Необходимость такого сложного катаболического пути лежит в основе стойкости фукоиданов к большинству морских бактерий и показывает, что только высокоспециализированные организмы в океане способны расщеплять этот сахар водорослей», - говорит Хехеманн. «Это может объяснить более медленный оборот биомассы водорослей в окружающей среде и предполагает, что фукоиданы улавливают углерод в океане».
Потенциал для фармакологии
Ученых также интересуют ферменты для деградации фукоидана, потому что это может быть фармакологически активная молекула, которая проявляет действие, подобное гепарину, на свертываемость крови. «Ферменты, которые специфически фрагментируют фукоидан и, таким образом, помогают охарактеризовать его структуру, представляют большой научный интерес, поскольку они позволяют исследователям понять эффекты фукоидана и открыть эти морские сахара для биотехнологических применений», - говорит Томас Шведер, участвующий микробиолог из Университета Нью-Йорка. Грайфсвальд.