Невеличкий морський черв’як без рота, кишківника й ануса допоміг зламати давнє уявлення про те, як тварини отримують вуглець від мікробів. Команда з Інституту морської мікробіології Товариства Макса Планка в Бремені показала, що тварини здатні виробляти ферменти, які розщеплюють полігідроксиалканоати (polyhydroxyalkanoates, PHA) — природні «мікробні пластики», які вважалися їжею виключно для мікроорганізмів. Про це йдеться в роботі в журналі Nature Ecology & Evolution, на яку звертає увагу видання Scienmag.
Відкриття свідчить, що тварини — від морських червів і морських зірок до дощових черв’яків і ногохвісток — могли користуватися цими біологічними запасами вуглецю сотні мільйонів років.
Що таке природний «біопластик» PHA
PHA — це біорозкладні полімери, які утворюють багато бактерій і архей. Усередині клітин вони виконують роль, подібну до жирових запасів у тварин: коли вуглецю багато, а інших поживних елементів бракує, мікроорганізми перетворюють надлишок на щільні внутрішньоклітинні гранули PHA. Пізніше їх можна знову «спалити» для енергії та росту.
Хімічно PHA — це довгі ланцюги з будівельних блоків гідроксиалканоатів, з’єднаних естерними зв’язками. Така структура надає їм пластикоподібних властивостей, але водночас робить чутливими до ферментативного гідролізу за відповідних біологічних умов.
Оскільки PHA природно утворюються в ґрунтах, донних відкладах та водних екосистемах, вони є однією з найпоширеніших форм мікробних запасів вуглецю на Землі.
Незвичайний черв’як і його бактеріальні партнери
Дослідження розпочалося з виду Olavius algarvensis — тонкого морського черв’ячка з мілководних середземноморських відкладів. Попри довжину лише близько двох сантиметрів, він відмовився від органів, які для більшості тварин є критичними: у нього немає ані рота, ані травного тракту, ані звичайної видільної системи.
Натомість черв’як живе у тісному симбіозі з бактеріями, що розташовані під шкірою. Симбіонти постачають йому поживні речовини, а черв’як забезпечує їм захищене середовище й доступ до сполук із навколишнього осереддя. Блідий колір тіла тварини пояснюється щільним шаром бактеріальних клітин у стінці тіла.
Один із бактеріальних партнерів O. algarvensis накопичує особливо великі кількості PHA. Це поставило важливе запитання: коли черв’як перетравлює своїх симбіонтів, чи може він одночасно отримати вуглець з їхніх гранул мікробного пластику?
Фермент, що відкриває доступ до мікробного сховища
Дослідники ідентифікували у тварини фермент, здатний розщеплювати PHA до дрібніших молекул. Ці продукти далі можуть бути включені в звичайні біохімічні шляхи метаболізму, тож черв’як повертає собі і вуглець, і енергію з речовини, яку раніше вважали майже недоступною для тварин.
Фактично тварина має молекулярний інструмент для «відкривання» мікробного енергетичного резерву. Високороздільні методи візуалізації показали, що PHA-руйнівний фермент локалізований саме там, де в тілі черв’яка перетравлюються симбіотичні бактерії.
Це розташування важливе: ферменти часто «підказують» свою роль тим, у яких клітинних відсіках працюють. Продукуючи фермент на межі, де руйнуються бактеріальні клітини, черв’як може перетравлювати і мікробну біомасу, і гранули PHA всередині симбіонтів. Такий збіг свідчить не про випадкову здатність розкладати полімер, а про скоординовану стратегію живлення.
Не тільки один вид: слід у геномах тварин
Далі вчені перевірили, чи є цей фермент унікальним для незвичної морської тварини. Виявилося, що ні. Споріднені гени знайшли більш ніж у 66 видів тварин, які належать до дев’яти різних типів — тобто охоплюють дуже віддалені гілки еволюційного дерева тварин.
Лабораторні експерименти підкріпили ці геномні дані: ферменти в організмів, настільки відмінних, як губка, дощовий черв’як і ногохвістка, також могли розкладати мікробні PHA. Така широта серед різних груп тварин свідчить, що ця здатність може бути набагато поширенішою, ніж вважали раніше, хоча конкретна активність ферментів і їхня екологічна роль можуть істотно відрізнятися між видами.
Новий погляд на колообіг вуглецю й біопластики
Отримані результати змушують переосмислити рух вуглецю в екосистемах. Досі гранули PHA розглядали як ресурс, що майже повністю «циркулює» всередині мікробних спільнот: бактерії виробляють полімери, запасають їх і згодом самі споживають, а інші мікроорганізми можуть допомагати їх розкладати.
Якщо ж тварини здатні безпосередньо перетравлювати PHA, вуглець із мікробних запасів може надходити в тваринні харчові мережі, не проходячи повний цикл перетворення іншими мікроорганізмами. Тварини, які поїдають бактерії, живляться донними відкладами, об’їдають біоплівки або живуть у тісному симбіозі з мікробами, отримують таким чином доступ до прихованого джерела енергії.
Ця знахідка додає ще один вимір до екологічної історії біорозкладних пластиків. Промислові PHA все активніше розглядають як альтернативу нафтохімічним пластикам, оскільки вони біоґрунтовані й можуть розкладатися біологічними процесами. Для їхнього виробництва бактерії вирощують у ферментаційних ємностях та «годують» вуглецевмісними речовинами на кшталт цукрів, крохмалю чи рослинних олій. У контрольованих умовах клітини накопичують PHA, які потім виділяють і переробляють на матеріали для пакування, гігієнічних виробів, аграрних покриттів і медичних застосувань.
PHA-матеріали також досліджують для доставки ліків, перев’язок, розсмоктуваних швів та імплантів, що мають поступово зникати в організмі. Хоча такі полімери й позиціонуються як біорозкладні, їхнє розкладання залежить від умов середовища, складу мікробних спільнот, хімічної будови полімеру та наявності відповідних ферментів.
Нове дослідження показує, що до мікроорганізмів у цьому процесі можуть долучатися й тварини. Це не означає, що тварини швидко усуватимуть викинуті вироби з PHA в будь-якій екосистемі, і не дає оцінки, наскільки значущим є такий розклад поза лабораторією. Але воно відкриває раніше недооцінену біологічну можливість, яку тепер потрібно перевірити в природних умовах.
Науковцям ще належить з’ясувати, які саме тварини безпосередньо споживають PHA, чи виробляються відповідні ферменти постійно або лише за певних умов живлення, і який обсяг вуглецю тварини фактично отримують з цих полімерів.
Приховані інновації еволюції
Ширший урок цього проєкту полягає в тому, що еволюційні новації можуть довго залишатися непомітними в організмах, які рідко опиняються в центрі уваги. Olavius algarvensis еволюціонував до крайньої залежності від своїх бактеріальних партнерів, і саме ця залежність привела вчених до метаболічної можливості, яка, схоже, притаманна значній частині тваринного світу.
Робота демонструє, що мікробна хімія не обов’язково обмежується мікроорганізмами: тварини можуть набувати, змінювати та використовувати сполуки, які синтезують їхні мікроскопічні партнери. У міру того як дослідники й надалі аналізуватимуть молекулярний обмін між тваринами та мікробами, природні системи, ймовірно, відкриватимуть ще багато прикладів біологічних матеріалів, що застосовуються в способи, яких не передбачали підручники.