SciAdv: Крошечные, но могущественные — прохлорококки управляют океаном

Один из самых трудолюбивых организмов в океане — крошечный, изумрудного цвета Prochlorococcus marinus. Эти одноклеточные пикопланктоны размером меньше человеческого эритроцита встречаются в ошеломляющем количестве в поверхностных водах океана, что делает Prochlorococcus самым многочисленным фотосинтезирующим организмом на планете.

В совокупности прохлорококки фиксируют столько же углерода, сколько все сельскохозяйственные культуры на суше. Ученые продолжают находить новые способы участия этого маленького зеленого микроба в круговороте и хранении углерода в океане.

Теперь ученые Массачусетского технологического института обнаружили у маленьких, но могущественных микробов новую способность регулировать океан: перекрестную передачу строительных блоков ДНК. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда сообщает, что прохлорококки выбрасывают эти дополнительные соединения в окружающую среду, где они затем «перекрестно питаются», или принимаются другими океаническими организмами, либо в качестве питательных веществ, энергии, либо для регулирования метаболизма. Таким образом, отходы прохлорококков становятся ресурсами для других микробов.

Более того, такое перекрестное питание происходит регулярно: Прохлорококки обычно сбрасывают свой молекулярный багаж ночью, когда предприимчивые микробы быстро потребляют отбросы. Для микроба под названием SAR11, самой распространенной бактерии в океане, исследователи обнаружили, что ночной перекус действует как своеобразный релаксант, заставляя бактерии замедлить метаболизм и эффективно зарядиться энергией на следующий день.

Благодаря такому перекрестному питанию, прохлорококк может помогать многим микробным сообществам устойчиво расти, просто отдавая то, что ему не нужно. И они делают это таким образом, что могут задавать суточные ритмы микробов по всему миру.

Взаимоотношения между двумя самыми многочисленными группами микробов в океанических экосистемах интриговали океанографов на протяжении многих лет, — говорит соавтор исследования, профессор Института Массачусетского технологического института Сэлли «Пенни» Чисхолм, которая сыграла важную роль в открытии прохлорококка в 1986 году.

Теперь мы имеем представление о тонко настроенной хореографии, которая способствует их росту и стабильности в обширных регионах океанов.

Учитывая, что Prochlorococcus и SAR11 заполонили поверхность океанов, команда подозревает, что обмен молекулами между ними может быть одним из основных перекрестных связей в океане, что делает его важным регулятором океанического углеродного цикла.

Изучая детали и разнообразие процессов перекрестного питания, мы можем начать выявлять важные силы, формирующие углеродный цикл, — говорит ведущий автор исследования Рогир Браакман, научный сотрудник факультета наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS).

Среди соавторов исследования — Брэндон Сатински, Тайлер О'Киф, Шейн Хогл, Джейми Беккер, Роберт Ли, Кевен Дули и Альдо Ареллано, а также Криста Лонгнекер, Мелисса Соул и Элизабет Куявински из Океанографического института Вудс-Хоула (WHOI).

Перекрестное питание происходит во всем микробном мире, хотя этот процесс изучался в основном в близкородственных сообществах. Например, в кишечнике человека микробы находятся в непосредственной близости друг от друга и могут легко обмениваться общими ресурсами и извлекать из них пользу.

Для сравнения, прохлорококки — это свободно плавающие микробы, которые регулярно перемещаются в поверхностных слоях океана. Ученые предполагают, что планктон участвует в перекрестном питании, но как именно это происходит и кто извлекает из этого выгоду, исторически было сложно определить; любые вещества, которые выбрасывают прохлорококки, имеют исчезающе малую концентрацию, и их очень сложно измерить.

Но в работе, опубликованной в 2023 году, Бракман объединился с учеными из WHOI, которые впервые разработали способы измерения малых органических соединений в морской воде. В лаборатории они выращивали различные штаммы прохлорококка в разных условиях и характеризовали то, что выделяли микробы. Они обнаружили, что среди основных «экссудантов», или выделяемых молекул, были пурины и пиридины, которые являются молекулярными строительными блоками ДНК. Молекулы также оказались богаты азотом — факт, который озадачил команду. Прохлорококки в основном обитают в океанских регионах с низким содержанием азота, поэтому предполагалось, что они будут стремиться сохранить все азотосодержащие соединения, какие только смогут. Почему же тогда они выбрасывают такие соединения?

Глобальная симфония

В своем новом исследовании ученые глубоко изучили детали перекрестного питания прохлорококков и то, как оно влияет на различные виды океанических микробов.

Они задались целью изучить, как Prochlorococcus использует пурин и пиридин в первую очередь, а затем выбрасывает эти соединения в окружающую среду. Они сравнили опубликованные геномы микробов и нашли гены, кодирующие метаболизм пуринов и пиридинов. Прослеживая гены по геномам, команда обнаружила, что после производства соединений они используются для создания ДНК и репликации генома микроба. Оставшиеся пурины и пиридины перерабатываются и используются снова, хотя часть этих веществ в конечном итоге попадает в окружающую среду. Прохлорококки, по-видимому, производят большую часть этих соединений, а затем выбрасывают то, что им не удается.

Команда также изучила данные по экспрессии генов и обнаружила, что гены, участвующие в переработке пуринов и пиримидинов, достигают своего пика через несколько часов после общепризнанного пика репликации генома, который наступает в сумерках. Возникает вопрос: Что может выиграть от этой ночной линьки?

Для этого команда изучила геномы более 300 гетеротрофных микробов — организмов, которые потребляют органический углерод, а не производят его самостоятельно с помощью фотосинтеза. Они предположили, что такие углеродные кормильцы могут быть вероятными потребителями органических отбросов Prochlorococcus. Они обнаружили, что большинство гетеротрофов содержат гены, поглощающие либо пурин, либо пиридин, а в некоторых случаях и то и другое, что говорит о том, что микробы эволюционировали по разным путям в плане того, как они перекрестно питаются.

Группа остановилась на одном микробе, предпочитающем пурины, — SAR11, поскольку он является самым распространенным гетеротрофным микробом в океане. Сравнив гены разных штаммов SAR11, они обнаружили, что разные виды используют пурины для разных целей: от простого поглощения и использования в неизменном виде до расщепления пуринов для получения энергии, углерода или азота. Чем же можно объяснить такое разнообразие в использовании микробами остатков Prochlorococcus?

Оказывается, большую роль играет местная среда. Бракман и его коллеги провели метагеномный анализ, в ходе которого они сравнили коллективно секвенированные геномы всех микробов в более чем 600 образцах морской воды со всего мира, сосредоточившись на бактериях SAR11. Метагеномные последовательности были собраны вместе с измерениями различных условий окружающей среды и географических мест, в которых они обитают. Анализ показал, что бактерии потребляют пурин для получения азота, когда азота в морской воде мало, и для получения углерода или энергии, когда азота в избытке, что свидетельствует о селективном давлении, формирующем эти сообщества в различных океанических режимах.

Эта работа позволяет предположить, что микробы в океане установили отношения, которые способствуют их росту, чего мы не ожидаем, — говорит соавтор работы Куявински.

Наконец, команда провела простой эксперимент в лаборатории, чтобы выяснить, смогут ли они непосредственно наблюдать механизм, с помощью которого пурин действует на SAR11. Они вырастили бактерии в культурах, подвергли их воздействию различных концентраций пурина и неожиданно обнаружили, что он вызывает замедление их нормальной метаболической деятельности и даже роста. Однако когда исследователи поместили эти же клетки в условия экологического стресса, они продолжали расти сильными и здоровыми, как будто приостановка метаболизма под действием пуринов помогла им подготовиться к росту, избежав таким образом последствий стресса.

Если подумать об океане, где вы видите ежедневный импульс выделения пуринов прохлорококком, то это ежедневный сигнал ингибирования, который может вызвать паузу в метаболизме SAR11, чтобы на следующий день, когда выйдет солнце, они были готовы к росту, — говорит Бракман.

Поэтому мы считаем, что прохлорококк выступает в роли дирижера в ежедневной симфонии океанического метаболизма, а перекрестное питание создает глобальную синхронизацию между всеми этими микробными клетками.

Ранее ученые заявили, что некогда океан был единым мегаорганизмом.

05.01.2025