6 Minutės
Tyrėjai sukūrė fluorescencinį molekulinį zondą, kuris pašvinta, kai jūriniai cukrūs yra skaidomi, leidžiant mokslininkams realiu laiku stebėti, kurie mikroorganizmai vartoja konkrečius angliavandenius ir kaip toks maitinimasis formuoja anglies sulaikymą vandenyne. Šis įrankis suteikia naują, vizualinį požiūrį į mikroskopinius tarpusavio ryšius, kurie turi įtakos globaliam anglies srautui ir jūros anglies ciklui.
How the glowing probe exposes hidden microbial meals
Pagrindas šio pažangos principo yra kruopščiai suprojektuota cukraus molekulė, pažymėta dviem fluorescenciniais dažikliais. Kol cukrus yra vientisas, dažikliai slopina matomą emisiją per Försterio rezonanso energijos pernešimą (FRET), todėl zondas išlieka praktiškai tamsus. Kai fermentas — kurį išskiria bakterijos ar kiti mikroorganizmai — nukerpa cukraus grandinę, FRET sąveika nutraukiama ir molekulė pradeda švytėti. Tas švytėjimas nurodo, kur ir kada vyksta cukraus degradacija.
Įsivaizduokite, kad stebite dumblių žydėjimą ir, kadras po kadro, matote, kurios ląstelės įsijungia fluorescencines signalizacijas virškinant sudėtingus polisacharidus. Tokį stebėjimo gebėjimą tyrėjų komanda demonstravo sekdama α-mannaną — polisacharidą, dažnai išsiskiriantį per algų žydėjimus. Zondas reagavo į fermentų aktyvumą įvairiuose kontroliuojamuose sistemose: su grynais fermentais, bakterijų ekstraktais, izoliuotomis kultūromis ir mišriomis mikrobinėmis bendrijomis, paimtomis iš jūros vandens. Tokie testai patvirtino, kad fluorescencinis glicano zondas gali fiksuoti fermentinę aktyvumo dinamiką nuo švarių laboratorinių sąlygų iki kompleksinių gamtinių mėginių, todėl įrankis yra itin naudingas tiriant mikrobinę ekologiją ir anglies ciklą vandenyne.
Why this matters for the ocean carbon cycle
Fitoplanktono gaminami cukrūs sudaro reikšlingą organinės anglies dalį paviršiniame vandenyne. Tačiau ne visi cukrūs yra lengvai prieinami ar vienodai greitai suvirškinami. Kai kurie polisacharidai yra struktūriškai sudėtingi ir jų skilimui reikalingi specializuoti fermentai — dažnai vadinami glikozidazėmis ar funkcinių klasių CAZymes — kurių turi tik tam tikri mikroorganizmai. Jei tokie polisacharidai atsparūs skaidymui, jie gali nusėsti į gilumą, pernešdami anglies masę į gylį, kur ji gali būti sekvestruota dešimtmečiams ar net šimtmečiams. Šis procesas — anglies eksporto ir sekvestracijos mechanizmai — yra kertinis elementas globalaus anglies ciklo balansavimo ir klimato sistemos reguliavimo požiūriu.
Anksčiau buvo sudėtinga priskirti konkretų mikroorganizmą prie tam tikro cukraus apykaitos vietoje (in situ), nes natūralios bendrijos yra labai įvairovės turinčios ir daug mikroorganizmų nėra išauginami laboratorijoje (uncultured). Fluorescencinis glicano zondas apeina šį apribojimą, nes jis tiesiogiai fiksuoja fermentinį aktyvumą aplinkoje be išankstinės genominės identifikacijos. Tai leidžia mokslininkams žemėlapiuoti skilimo tempus (turnover rates), identifikuoti aktyvius degradatorius ir stebėti glykanų skaidymo erdvinį progresą realiu laiku — tai yra kertinės įvestys kuriant ir tikslinant biogeocheminius modelius, skaičiuojančius anglies eksportą iš paviršiaus į gelmes bei anglies sekvestraciją.
Be to, tokie tiesioginiai matavimai suteikia galimybę tirti mikrobiologinius procesus, kurie iki šiol buvo spėjami remiantis genų buvimu ar bent jau ekstrapoliuojami iš bendrų bendrijų charakteristikų. Dabar galima fiksuoti funkcinius procesus — fermentų veiklą — ir susieti juos su konkrečiais taksonais, biomolekuliniais ženklais ir ekologinėmis sąlygomis, kas ženkliai padidina informacijos kokybę, reikalingą tikslesnėms ekosistemos ir klimato prognozėms.
Interdisciplinary engineering: chemistry meets microbiology
Zondas buvo sukurtas pasitelkus automatizuotą glicano sintezę (automated glycan assembly) — cheminę techniką, leidžiančią konstruoti apibrėžtos struktūros cukrų grandines — ir tikslų fluorescencinį žymėjimą. Kolloidų ir sąsajų mokslininkai bendradarbiavo su jūrų mikrobiologais ir ekologais, projektuodami molekulę taip, kad ji būtų stabili jūros vandenyje, bet tuo pačiu reaguotų greitai ir specifinėmis sąlygomis, kai ją atkerpa suinteresuoti fermentai. Tokia tarpdisciplininė inžinerija apjungė sintetines organinės chemijos metodikas, kvantitinės fluorescencijos principų išmanymą ir mikrobinės ekosistemos biologinę specifiką.
Komanda pirmiausia validavo zondo elgseną su laboratoriniais fermentais, vėliau testavo gyvose mikrobinėse kultūrose ir galiausiai — mišriuose bendrijų mėginiuose iš natūralios aplinkos, patikrinant, kad zondas yra robustus ir veikia skirtinguose biologiniuose bei cheminiuose kontekstuose. Tokie laipsniški patvirtinimo etapai — nuo grynų baltymų iki gamtinių mėginių — rodo metodo pritaikomumą plačiose tyrimų platformose, įskaitant laboratorinę mikrobiologiją, lauko ekosistemų tyrimus ir integruotus mėginių tyrimus laivuose ar pakrantėse.
Be α-mannano, šią metodiką galima plėsti: sintezuojant įvairias glicano struktūras ir prikabinant tinkamus FRET dažiklių poras, galima kurti zondus, pritaikytus kitiems polisacharidams, kuriuos sutiksite jūriniuose arba sausumos ekosistemose. Tokia adaptabilumas atveria platesnes tyrimo galimybes — nuo algų žydėjimų ir dumblinės biomasių apykaitos iki dirvožemio organinės medžiagos degradacijos ir net žmogaus žarnyno mikrobiomos angliavandenių apykaitos tyrimų. Kitaip tariant, fluorescencinių glycano zondų platforma yra universali priemonė tirti anglies srautų molekulinius takus įvairiuose biologiniuose kontekstuose.
Implications for research and climate science
Tiksliai kiekybiškai nustatant, kas ir kokius cukrus skaido — bei esant kokioms aplinkos sąlygoms — pagerėja mūsu mechanistinis supratimas apie anglies kelius vandenyne. Tokie duomenys leidžia sugriežtinti biogeocheminių modelių parametrus, kurie vertina, kiek anglies lieka prie paviršiaus ir kiek nusėda į gylį. Didesnė tikslumo pakopa mikrobinės procesų atžvilgiu prisideda prie geresnių klimato prognozių, nes vienas iš pagrindinių laukų, kuriuose egzistuoja didelė neapibrėžtis, yra mikrobiologinių procesų įtaka anglies stabilumui ir perkėlimui okeane.
Be to, naujas metodas pagreitina ekologinių atradimų tempą. Vietoj veiklos spėjimo pagal genų buvimą, mokslininkai gali tiesiogiai vizualizuoti funkcinius fermentų aktyvumo žymenis ir tuos stebėjimus susieti su vienaląstės genomikos (single-cell genomics), fluorescencine mikroskopija, taksonominiais žymenimis arba masių spektrometrija. Ši praktinė nauda supaprastina pastangas susieti metabolizmą su taksonomija sudėtingose natūraliose bendrijose ir leidžia greičiau identifikuoti „key players“ — mikrobus, kurie daro didžiausią įtaką anglies pernašai.
Tyrimai, remiantis tokiomis priemonėmis, gali padėti atskleisti, pavyzdžiui, kaip tam tikros bakterijų grupės ar grybelinės rūšys prisideda prie polisacharidų skaidymo greičio, kaip abiotiniai veiksniai (temperatūra, druskingumas, deguonies lygis) moduliuoja fermentinį aktyvumą ir kokia dalis iš skaidomų cukrų greitai virsta mikrobinėmis biomonomis, o kokia išlieka atspari, nusėda ir dalyvauja gilesniame anglies sekvestravime.
Expert Insight
"Tokio tipo vizualinis zondas pakeičia žaidimo taisykles jūrų mikrobinės ekologijos srityje," sako vyresnysis mikrobinės ekologijos specialistas, susipažinęs su darbu. "Jis leidžia mums užduoti tikslinius klausimus: kurios taksonominės grupės reaguoja į algų žydėjimą, kokiu greičiu jos mobilizuoja saugomą anglies kiekį ir kiek toli ši anglis nukeliauja prieš ją sunaikinant? Tai yra procesinio lygmens detalės, kurių reikia modeliavimo tikslumui."
Ateities planuose tyrėjai ketina išplėsti FRET-žymėtų glicano biblioteką, diegti zondus lauko ekspedicijų metu ir derinti fluorescencinės vaizdavimo metodus su vienaląste genomika bei masių spektrometrija. Kartu šie įrankiai leis detaliau atvaizduoti mikroskopinius maisto tinklus ir molekulinius maršrutus, kurie kontroliuoja anglies judėjimą per vandenyną. Tokia integracija — vizualūs žymenys, genetiniai profiliai ir chemoinformatika — stiprins turimus modelius ir leis geriau prognozuoti anglies paskirstymo trajektorijas įvairiomis klimatinėmis bei ekologinėmis sąlygomis.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą