Bacteriile marine descompun fucoidanul prin diviziunea muncii
Algele brune și diatomicele produc fucoidan, un carbohidrat complex care le protejează pereții celulari. Molecula este deosebit de dificil de degradat deoarece structura sa chimică variază de la o specie de alge la alta, incluzând numeroase tipuri de legături și ramificații. Această rezistență la descompunere face ca fucoidanul să poată coborî în adâncurile oceanului, transportând carbonul și stocându-l pe termen lung, ceea ce îl transformă într-un element important al ciclului oceanic al carbonului.
Un studiu publicat în Nature, condus de Andreas Sichert de la ETH Zurich și Otto X. Cordero, profesor asociat la MIT, arată că nicio bacterie nu poate descompune singură fucoidanul. Cercetătorii au izolat opt tulpini bacteriene dintr-o comunitate marină capabilă să degradeze fucoidanul și au identificat peste 453 de gene responsabile pentru enzime care acționează asupra moleculei.
Folosind o metodă rapidă de spectrometrie de masă, echipa a observat că toată această complexitate genetică se reduce la două roluri funcționale. Unele tulpini descompun scheletul bogat în fucoză al fucoidanului, iar altele îndepărtează ramificațiile laterale, care conțin zaharuri mai rare precum xiloza și galactoza. Când tulpinile cu roluri complementare au fost combinate, degradarea a devenit sinergică, depășind suma activităților individuale. În unele cazuri, comunitățile pereche au reușit să descompună aproape complet polizaharidul.
Cercetătorii au dezvoltat un model simplu care clasifică activitatea bacteriană în două categorii: fucoza și zaharurile rare din ramificații. Modelul, antrenat pe comunități mici de una până la trei tulpini, a prezis degradarea în comunități de până la șapte tulpini și s-a generalizat la nouă fucoidane structural diferite provenite din alte alge. Această abordare sugerează că sisteme complexe pot fi înțelese fără a caracteriza fiecare componentă în parte.
Bacteriile cu capacități complementare au apărut frecvent împreună în probele oceanice, ceea ce indică faptul că diviziunea muncii observată în laborator ar putea avea loc și în natură. Cercetătorii propun conceptul de „degradare limitată de diversitate”, potrivit căruia absența combinației potrivite de specialiști bacterieni permite fucoidanului să persiste mai mult timp, contribuind la stocarea pe termen lung a carbonului algal.
Pentru biotehnologie, concluzia este că, în loc să fie creată o singură bacterie capabilă să digere biomasa complexă, ar fi mai promițător să fie reunite echipe de microbi specializați în sarcini complementare. Aceste consorții ar putea fi folosite pentru procesarea biomasei de alge brune și a altor polizaharide complexe la scară largă.
Studiul lasă deschisă o întrebare fundamentală: de ce nu a evoluat nicio bacterie care să consume fucoidanul în întregime, având în vedere că molecula este abundentă de foarte mult timp. Cercetătorii sugerează că răspunsul ține atât de constrângerile metabolismului zaharurilor, cât și de dinamica evolutivă în care specialiștii complementari se regenerează continuu în loc să fuzioneze într-un singur organism.
