Polysacharidy a Ich Úloha v Oceánskych Ekosystémoch

V našom výskume sa zaoberáme povrchovými oceánmi, kde uhlík vo forme CO₂ je fotosynteticky fixovaný do organickej biomasy. Táto organická biomasa môže pozostávať až z 50 % polysacharidov, čo sú dlhé reťazce cukrov, zložené zo štrukturálne komplexných molekúl, ktoré pozostávajú z rôznych typov monosacharidov spojených do polymérnych reťazcov. Keď sa tieto polysacharidy uvoľnia do prostredia, prispievajú k obrovskému množstvu organickej hmoty, ktorá je zdrojom potravy alebo výživy pre heterotrofné baktérie.

Tieto baktérie sú hlavnými recyklátormi organického uhlíka v oceáne. Naša výskumná otázka sa sústreďuje na degradačný potenciál baktérií na týchto komplexných substrátoch, ako sú polysacharidy. Doteraz sú známe dva spôsoby využitia bakteriálnych polysacharidov. Jeden spôsob je extracelulárna hydrolýza, kde sa polysacharid rozkladá na menšie podjednotky mimo bunky a iba tieto podjednotky sú potom dostatočne malé na to, aby ich bunky mohli vstrebávať. Naopak, mechanizmus sebeckého vychytávania znamená, že celý polysacharid sa prijíma do bakteriálnej periplazmy, kde sa ďalej rozkladá.

Bakteriálne Mechanizmy a Ich Účinky

• Sebecké vychytávanie: Polysacharid je vstrebávaný ako celok, baktéria ho potom rozkladá vo vnútri.
• Extracelulárna hydrolýza: Polysacharid je rozkladaný mimo bunky, čím sa vytvárajú menšie kusy na vstrebávanie.

Naša cieľová oblasť výskumu zahŕňa skúmanie rovnováhy medzi týmito dvoma mechanizmami a identifikáciu baktérií, ktoré majú schopnosť využívať tieto mechanizmy. Používame fluorescenčne označené polysacharidy (FLAPS) na vizualizáciu týchto procesov. Pomocou fluorescenčného farbenia môžeme kvantifikovať množstvo extracelulárnej hydrolýzy a vizualizovať sebecké vychytávanie na základe fluorescenčných vlastností buniek, ktoré sa prijímajú polysacharidy.

Výsledky Získané Zo Sezónneho Výskumu

V rámci štúdie zameranej na sezónne zmeny sme sa zamerali na vodu povrchu oceánu z oblasti Helgoland a skúmali sme rovnováhu medzi extracelulárnou hydrolýzou a sebeckým vychytávaním počas celého roka. Ako substráty sme použili laminarín, xylén a chondroitín, ktoré sú tri polysacharidy rôznej komplexnosti, bežne sa vyskytujúce v morskom prostredí. Naše zistenia ukázali, že v zime a na jar bola polysacharidová aktivita nízka, avšak v lete došlo k rapídnemu nárastu sebeckého vychytávania laminarínu a xylénu. Zistili sme, že v lete až 60 % všetkých buniek dokázalo využiť laminarín ako substrát a 30 % buniek využívalo xylén cez sebecký mechanizmus.

Na vizualizáciu a identifikáciu týchto baktérií sme využili fluorescenčnú in-situ hybridizáciu. Zistili sme, že baktérie ako gamaproteobaktérie a Bacteroidetes využívajú sebecký mechanizmus pre laminarín a xylén. Na jeseň sme pozorovali väčšinou extracelulárnu hydrolýzu xylénu a chondroitínu, pričom sme zaznamenali zvýšenú abundanciu rodu Flavobacteriaceae Flavobacterium, ktorý je pravdepodobne hlavným bakteriálnym skupinou hydrolyzujúcou tento komplexný substrát.

Úvahy a Výzvy do Budúcnosti

Bolo prekvapivé, že v priebehu len niekoľkých hodín v lete asi 60 % celej bakteriálnej komunity mohlo využívať laminarín prostredníctvom sebeckého mechanizmu. Tento mechanizmus bol vizualizovaný len nedávno a naše výsledky naznačujú, že obe metódy (sebecké vychytávanie a extracelulárna hydrolýza) sa nepoužívajú súbežne v rovnakých pomeroch. Podmienky musia byť priaznivé pre využitie jednej alebo druhej metódy. Toto chápanie nám pomáha vidieť, ako tieto mechanizmy prispievajú k dostupnosti uhlíka pre celú bakteriálnu komunitu.

Výskum nám ukázal, že v lete je preferované sebecké vychytávanie, zatiaľ čo na jeseň dominuje extracelulárna hydrolýza. Pohľad do budúcnosti ukazuje, že potrebujeme lepšie pochopiť interakciu medzi bakteriálnymi mechanizmami a environmentálnymi podmienkami, vrátane dostupnosti substrátu. Fluorescenčne označené polysacharidy poskytujú skvelú metódu na skúmanie týchto mechanizmov v rámci jedného metodologického nastavenia a môžu byť kombinované s ďalšími nástrojmi na zlepšenie nášho porozumenia rôznorodosti bakteriálneho využitia polysacharidov.

Zdroj: https://lt.org/