Основным путем секвестрации углерода в океане является рост, агрегация и погружение фитопланктона - одноклеточных микроводорослей, таких как диатомовые водоросли. Как и растения на суше, фитопланктон улавливает углерод из атмосферного углекислого газа. Когда клетки водорослей объединяются, они тонут и уносят с собой секвестрированный углерод на дно океана. На этот так называемый биологический углеродный насос приходится около 70 процентов ежегодного глобального экспорта углерода в океанские глубины. По оценкам, от 25 до 40 процентов углекислого газа, выделяемого людьми при сжигании ископаемого топлива, могло быть перенесено в результате этого процесса из атмосферы на глубину ниже 1000 метров, где углерод может храниться в течение тысячелетий.
Сообщество быстрых бактерий
И все же, даже это очень важно, до сих пор плохо изучено, как работает процесс угольного насоса на молекулярном уровне. Ученые исследовательской группы Marine Glycobiology, расположенной в Институте морской микробиологии им. Макса Планка и MARUM - Центре наук об окружающей среде Бременского университета, исследуют в этом контексте морские полисахариды - соединения, состоящие из нескольких единиц сахара, - которые вырабатываются микроводорослями. Эти морские сахара сильно различаются на структурном уровне и принадлежат к наиболее сложным биомолекулам, встречающимся в природе. Одна-единственная бактерия не способна переработать эту сложную сахарную смесь. Поэтому необходим целый набор метаболических путей и ферментов. В природе это достигается сообществом различных бактерий, которые тесно и очень эффективно взаимодействуют друг с другом - идеально слаженная команда. Это бактериальное сообщество работает настолько хорошо, что большая часть сахаров микроводорослей разлагается до того, как они агрегируют и начинают тонуть. Таким образом, большое количество секвестрированного углерода выбрасывается обратно в атмосферу.
Но как возможно, что тем не менее много углерода все еще транспортируется в глубокое море? Ученые из группы Marine Glycobiology выявили компонент, который может быть вовлечен в этот процесс, и опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications. «Мы обнаружили сульфатированный полисахарид, содержащий фукозу из микроводорослей, сокращенно FCSP, который устойчив к микробной деградации», - говорит Сильвия Видал-Мелгоса, первый автор статьи. «Это открытие бросает вызов существующей парадигме, согласно которой полисахариды быстро разлагаются бактериями». Это предположение является причиной того, что сахар до сих пор игнорируется как поглотитель углерода. Анализы бактериального сообщества, проведенные учеными отдела молекулярной экологии MPI в Бремене и Университета Грайфсвальда, показали, что у бактерий мало ферментов для расщепления этого сахара.
Важнейшей частью открытия является то, что этот устойчивый к микроорганизмам сахар образует частицы. Во время роста и после смерти одноклеточные диатомеи выделяют большое количество неизвестных липких длинноцепочечных сахаров. С увеличением концентрации эти цепочки сахаров слипаются и образуют молекулярные сети. К этим маленьким сахарным хлопьям прикрепляются другие компоненты, такие 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 нужно около десяти дней, чтобы достичь глубины 1000 метров, а часто и намного дольше. Это означает, что липкое сахарное ядро должно сопротивляться биодеградации, по крайней мере, столько времени, чтобы удерживать частицу вместе. Но это очень сложно, так как сахароядные бактерии очень активны и всегда голодны.
Новый метод анализа морского сахара
Чтобы раскрыть структуру полисахаридов микроводорослей и идентифицировать устойчивые липкие сахара, ученые исследовательской группы Marine Glycobiology тестируют новые методы. Это необходимо, потому что морские сахара находятся в сложных смесях органических веществ. В случае этого исследования они использовали метод, который берет свое начало в медицинских и растительных исследованиях. 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, использующий не чернила, а молекулы. Молекулы отдельно «печатаются» на нитроцеллюлозной бумаге в виде микроматрицы. Микроматрица похожа на микрочип, маленькая, как ноготь, но может содержать сотни образцов. После того, как извлеченные молекулы напечатаны на массиве, можно проанализировать присутствующие в них сахара. Это достигается за счет использования зондов моноклональных антител. К массивам добавляются отдельные 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 Видал-Мелгоса. «Это позволило нам обнаружить накопление сахара FCSP, в то время как многие другие обнаруженные полисахариды деградировали и не накапливали углерод». Это исследование доказывает новое применение этого метода. «Примечательно, что сложные углеводы никогда 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 гликомике окружающей среды и, следовательно, эталон для будущих исследований микробной деградации углеводов».
Следующий шаг: поиск частиц в морских глубинах
Обнаружение FCSP в диатомовых водорослях с продемонстрированной стабильностью и адгезионными свойствами позволило получить ранее неизвестный полисахарид, который способствует формированию частиц и, следовательно, возможному связыванию углерода в океане. Один из следующих шагов в исследовании - «выяснить, существуют ли частицы этого сахара в глубинах океана», - говорит Хехеманн. «Это указывает на то, что сахар стабилен и играет важную роль в биологическом углеродном насосе». Кроме того, наблюдаемая устойчивость к бактериальной деградации, а также структура и физико-химическое поведение диатомовых водорослей FCSP указывают на определенные биологические функции. «Учитывая устойчивость к деградации, FCSP, покрывающий 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 и в море других регионов мира?