Водоросли составляют основу морской экосистемы и хранят больше углерода, чем все наземные растения вместе взятые. Углеводы водорослей расщепляются бактериями, которые превращают их в важный источник энергии для всей морской пищевой цепи. Однако, что именно химически происходит во время этой деградации биомассы водорослей, ранее было неизвестно.
Теперь международной исследовательской группе удалось проанализировать и понять весь путь деградации важного полисахарида. Для этого процесса требуется большое количество ферментов, и теперь впервые удалось выяснить их биохимическую функцию. Благодаря этим знаниям станет возможным использовать водоросли в качестве ресурса: их можно использовать для ферментации, для производства ценных видов сахара или, в будущем, даже перерабатывать в биопластики. Общая цель состоит в том, чтобы создать экологически чистую экономику замкнутого цикла, в которой возобновляемое сырье используется как можно более разнообразно.
Исследовательский проект проводился Университетом Грайфсвальда в сотрудничестве с Техническим университетом Вены, Институтом морской микробиологии им. Макса Планка (Бремен), Бременским университетом, исследовательским центром MARUM - Центр морских наук об окружающей среде (Бремен) и морской вокзал Роскоф (Франция). Результаты исследования были недавно опубликованы в специализированном журнале Nature Chemical Biology.
Расщепление макромолекул на строительные блоки
Большинству людей водоросли обычно кажутся довольно непривлекательными - например, когда они размножаются, образуя колоссальное цветение водорослей вблизи побережья, особенно вблизи пляжей. Однако в будущем ковры из водорослей могут быть использованы в качестве ценного сырья для промышленности. «Чтобы использовать водоросли, вам нужно расщепить большие молекулы, которые они производят, на пригодные для использования отдельные компоненты», - объясняет Кристиан Станетти из Института прикладной синтетической химии Венского технического университета. «Это очень сложный процесс, но, к счастью, у нас есть пример природы: то есть некоторые бактерии могут делать это блестяще».
Международная исследовательская группа расшифровала, как морские бактерии Formosa agariphila разлагают полисахарид ulvan, который вырабатывается водорослями Ulva в количестве до 30% от их сухого веса. Этот процесс деградации представляет собой небольшой химический фокус: двенадцать различных ферментов используются для расщепления макромолекулы на все более мелкие строительные блоки. «Наша задача в Венском техническом университете заключалась в том, чтобы с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и масс-спектрометрии выяснить, как именно выглядят эти строительные блоки», - говорит Кристиан Стэнетти.«На этом пути было несколько сюрпризов: некоторые продукты разложения выглядели не так, как мы ожидали. Это продемонстрировало, что бактерии выбирают другие химические пути во время разложения сахара, чем мы ожидали».
Таким образом, исследователи смогли выяснить, какие ферменты бактерии используют на соответствующих этапах. «В результате мы теперь не только понимаем, как эти микроорганизмы получают доступ к этому источнику питания. Теперь у нас также есть доступ к набору инструментов, состоящему из целого спектра новых биокатализаторов, что открывает возможность использования этого сложного морского полисахарида в целенаправленно в качестве ресурса для ферментации», - говорит профессор Уве Борншойер из Университета Грайфсвальда.
Использование водорослей для синтеза углеводородов является 100% углеродно-нейтральным. Если этот метод можно будет успешно использовать для создания продуктов, которые ранее производились с использованием ископаемых ресурсов, это станет важным шагом на пути к защите климата.«Это вполне осуществимо», - считает профессор Марко Миховилович из Технического университета Вены. «Сначала можно ориентироваться на простые продукты, такие как особые виды сахаров. Но с ростом понимания вовлеченной химии мы добьемся большего успеха в использовании этих водорослей в качестве предшественников для сложных синтезов, вплоть до биопластиков».
Цель: круговая экономика биогенных ресурсов
Междисциплинарное сотрудничество имело решающее значение для успеха проекта: «С научной точки зрения ответы на исследовательские вопросы такой сложности возможны только в сотрудничестве», - подчеркивает Марко Миховилович. «Мы уже некоторое время работаем с нашими партнерами из Германии с большим успехом. Мы также продолжим делать это в будущем - это должно позволить нам добиться значительного прогресса и, в конечном итоге, перейти к устойчивой химии, которая позволит настоящая, экологически чистая экономика замкнутого цикла."