Морские бактерии способны почти полностью разлагать фукоидан — устойчивый полисахарид бурых водорослей, — если в сообществе присутствуют микроорганизмы с разной ферментативной специализацией. Механизм коллективного расщепления органического вещества описала международная группа учёных в журнале Nature.
Первым автором работы стал Андреас Зихерт из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) и Массачусетского технологического института. В исследовании также участвовали специалисты ETH Zürich, Венского университета и MIT, в том числе Уве Зауэр, Шауль Поллак, Шиничи Сунагава и Отто Кордеро.
Фукоиданы входят в состав клеточных стенок и слизистого слоя бурых водорослей. Их молекулы состоят из сульфатированной основы, богатой фукозой, и боковых цепей, содержащих галактозу, маннозу, ксилозу и глюкуроновую кислоту. Из-за сложного химического строения отдельные бактерии обычно расщепляют только часть связей в таком полимере.
Устойчивость фукоидана влияет на морской углеродный цикл. Чем дольше органическое вещество противостоит микробному разложению, тем дольше содержащийся в нём углерод остаётся связанным и не возвращается в быстрый биологический оборот.
Исследователи выделили из прибрежной морской воды 29 бактериальных штаммов и изучили их способность использовать фукоидан обыкновенного фукуса Fucus vesiculosus в качестве единственного источника углерода.
Анализ выявил несколько функциональных групп микроорганизмов. Одни преимущественно расщепляли богатую фукозой основу молекулы, другие — боковые цепи из более редких сахаров. Были обнаружены и штаммы с более широким набором ферментов, однако ни один из них не смог полностью переработать полисахарид самостоятельно.
Наиболее активный отдельный штамм разрушил около 69% исходного фукоидана. Некоторые пары бактерий переработали до 93% вещества.
Затем учёные проверили все 127 возможных комбинаций семи наиболее устойчиво работавших штаммов. Лучший результат показало сообщество из пяти бактерий, разложившее 97,1% полисахарида.
В 80% изученных взаимодействий эффективность оказалась выше той, которую можно было ожидать при простом суммировании возможностей отдельных штаммов. Исследователи объяснили это последовательной работой разных наборов ферментов.
Один микроорганизм изменял структуру фукоидана и открывал химические связи, недоступные для другого штамма в исходной молекуле. После предварительной обработки активность отдельных ферментов возрастала до десяти раз. Прямой контакт бактерий и обмен небольшими питательными молекулами для возникновения такого эффекта не требовались.
Чтобы оценить распространённость этого механизма, авторы проанализировали 12 347 наборов метагеномных данных из различных районов Мирового океана. Они выявили 1 632 предполагаемых вида бактерий, способных участвовать в расщеплении фукоидана.
В 94% проб, где были обнаружены такие микроорганизмы, присутствовал не один, а несколько потенциальных разрушителей полисахарида. Медианное значение составило 15 видов на образец. В природных сообществах также нередко сочетались бактерии с разными ферментативными функциями.
Метагеномный анализ показывает наличие соответствующих генов, но не подтверждает их активность в конкретный момент. На скорость разложения фукоидана в океане влияют температура, содержание кислорода и питательных веществ, химический состав воды, вид водорослей и структура микробного сообщества.
Лабораторные эксперименты проводились при температуре 20 °C, в темноте и с заданной концентрацией полисахарида. Основная часть опытов была выполнена с фукоиданом обыкновенного фукуса. Проверка ещё восьми разновидностей подтвердила роль функционального разделения, но не охватывала всего разнообразия природных условий.
Авторы рассматривают возможность применения бактериальных консорциумов для переработки водорослевой биомассы. Вместо создания одного штамма с полным набором ферментов можно формировать сообщества микроорганизмов, последовательно расщепляющих разные части сложного полисахарида.
