Сначала угощения, потом сложные вещи: план бактериального ужина для разрушения цветения водорослей

Ежегодное весеннее цветение водорослей играет важную роль для нашего климата, поскольку они удаляют большое количество углекислого газа из атмосферы. Однако это эфемерное явление. Большая часть углерода попадает в воду после гибели водорослей. Там бактерии уже ждут, чтобы прикончить их и съесть остатки водорослей.


Предыдущие исследования показали, что в период цветения каждый год на вершине могут появляться разные водоросли. Однако среди бактерий, впоследствии разлагающих водоросли, из года в год преобладают одни и те же специализированные группы. Очевидно, не сами водоросли, а их компоненты — прежде всего цепочки молекул сахара, так называемые полисахариды — определяют, какие бактерии будут процветать. Однако детали реакции бактерий на «пир водорослей» до сих пор полностью не изучены.

Метапротеомика: массовое изучение бактериальных белков

Поэтому Бен Фрэнсис вместе с коллегами из Института морской микробиологии Макса Планка, Университета Грайфсвальда и MARUM — Центра наук о морской среде при Бременском университете теперь внимательно изучили внутреннюю часть бактерий. «Мы решили сосредоточиться на методе, называемом метапротеомикой, который включает изучение всех белков в микробном сообществе, в нашем случае в морской воде», — объясняет Фрэнсис. «В частности, мы рассмотрели белки-переносчики, активность которых имеет решающее значение для понимания поглощения сахаров водорослей бактериальными клетками». В метапротеомных данных ученые увидели, что эти белки-переносчики отчетливо менялись с течением времени. «Мы увидели явный сдвиг в количестве белков-переносчиков, которые, по прогнозам, участвуют в поглощении различных типов полисахаридов», — продолжает Фрэнсис. «Это указывает на то, что бактерии начинают с того, что в основном сосредотачиваются на субстратах, которые« легко разлагаются », таких как ламинарин и крахмал. Затем они переходят и атакуют полимеры, которые« труднее разлагать », состоящие из маннозы и ксилозы».

Один сахар за другим

Другими словами, бактерии сначала выбирают легкий путь, и только когда лакомство съедено, они стремятся к жевательным кусочкам. Когда произойдет этот сдвиг? Бен Фрэнсис и его коллеги видят два возможных триггера: это может произойти, когда конкуренция за легкие источники пищи станет более интенсивной, потому что бактерии быстро размножаются в этой пышной среде и, таким образом, увеличивается количество клеток. Или, наоборот, это больше зависит от водорослей: как только цветение водорослей прекращается и больше водорослей погибает, накапливается больше твердых субстратов, и в этот момент они становятся жизнеспособным источником пищи.

Хотя ученые из Бремена и Грайфсвальда долгое время изучали динамику цветения водорослей и бактерий в Северном море, этот временной ход до сих пор оставался незамеченным. «Сочетание современных методов протеомики с методами подготовки образцов, которые специально учитывают высокую сложность этих очень сложных образцов, позволило нам получить один из наиболее полных наборов протеомных данных с более чем 20 000 белковых групп. Эти данные выявили, что субстратная специфичность белков-переносчиков меняется со временем. Эти изменения не были видны в соответствующем наборе метагеномных данных, используемых для исследования бактериального разнообразия », — говорит Дёрте Бехер из Университета Грайфсвальда. «Это ясно показывает, что нам нужно копнуть очень глубоко, чтобы понять лежащие в основе экологические процессы, которые управляют морским круговоротом углерода». Количественная оценка белков-переносчиков действительно может стать важным элементом в решении очень сложной головоломки круговорота углерода в море.

Комбинация методов позволяет по-новому взглянуть

«Это подробное« мета-протеогеномное »исследование сочетает в себе исключительный опыт Университета Грайфсвальда в идентификации и количественной оценке белков в сложных образцах окружающей среды с нашим опытом в области молекулярной микробной экологии», — говорит Рудольф Аманн, соавтор исследования и директор. Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене. «Наши результаты показывают, что сложный гетеротрофный микробиом Северного моря реагирует на цветение фитопланктона не только на субстрат-зависимые последовательности повторяющихся видов бактерий, но также на отчетливые изменения экспрессии белков-переносчиков и деградирующих ферментов». В конечном счете, это будет комбинация различных методов, которые улучшат наши знания о молекулах, ферментативных реакциях и скоростях, лежащих в основе морского углеродного цикла, что является предпосылкой для прогнозирования и управления уровнями углекислого газа в атмосфере.