Hojný fytoplankton krmí globální síť mořských mikroorganismů

Jedním z nejpilnějších organismů v oceánu je drobný, smaragdově zbarvený Prochlorococcus marinus. Tyto jednobuněčné „pikoplanktony“, které jsou menší než lidská červená krvinka, se nacházejí v ohromném množství v povrchových vodách oceánu, čímž se Prochlorococcus stává nejhojnějším fotosyntetickým organismem na planetě. (Kolektivně Prochlorococcus fixuje tolik uhlíku jako všechny plodiny na souši.) Vědci stále objevují nové způsoby, jak tento malý zelený mikroorganismus ovlivňuje cyklus a ukládání uhlíku v oceánu.

Vědci z MIT nyní objevili novou schopnost regulace oceánu u těchto malých, ale mocných mikroorganismů: křížové krmení stavebních bloků DNA. Ve studii publikované v časopise Science Advances tým uvádí, že Prochlorococcus uvolňuje tyto extra sloučeniny do svého okolí, kde jsou pak „křížově krmeny“ nebo přijímány jinými oceánskými organismy, ať už jako živiny, energie nebo pro regulaci metabolismu. Odpad Prochlorococcusu se tedy stává zdrojem pro jiné mikroby.

Ještě více, toto křížové krmení probíhá v pravidelných cyklech: Prochlorococcus má tendenci uvolňovat své molekulární „zavazadla“ v noci, kdy podnikavé mikroby rychle spotřebují odpad. U mikrobu zvaného SAR11, nejhojnější bakterie v oceánu, výzkumníci zjistili, že noční svačina funguje jako jakési relaxans, které nutí bakterie zpomalit metabolismus a efektivně se dobít na další den.

Díky této interakci křížového krmení by Prochlorococcus mohl pomáhat mnoha mikrobiálním komunitám růst udržitelně, jednoduše tím, že dává pryč to, co nepotřebuje. A dělají to způsobem, který by mohl nastavit denní rytmy mikrobů po celém světě.

„Vztah mezi dvěma nejhojnějšími skupinami mikrobů v oceánských ekosystémech fascinuje oceánografy po léta,“ říká spoluautorka a profesorka MIT Sallie „Penny“ Chisholmová, která se v roce 1986 podílela na objevu Prochlorococcusu. „Nyní máme náhled na precizní choreografii, která přispívá k jejich růstu a stabilitě v rozsáhlých oblastech oceánů.“

Vzhledem k tomu, že Prochlorococcus a SAR11 zaplňují povrchové oceány, tým předpokládá, že výměna molekul z jednoho do druhého by mohla představovat jeden z hlavních vztahů křížového krmení v oceánu, čímž se stává důležitým regulátorem oceánského cyklu uhlíku.

„Pozorováním detailů a rozmanitosti procesů křížového krmení můžeme začít odhalovat důležité síly, které formují cyklus uhlíku,“ říká hlavní autor studie, Rogier Braakman, vědecký pracovník katedry věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách (EAPS) na MIT.

Mezi dalšími spoluautory z MIT jsou Brandon Satinsky, Tyler O’Keefe, Shane Hogle, Jamie Becker, Robert Li, Keven Dooley a Aldo Arellano, spolu s Kristou Longnecker, Melissou Soule a Elizabeth Kujawinski z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI).

Sledování odpadků

Křížové krmení se vyskytuje v celém mikrobiálním světě, ačkoli tento proces byl většinou studován v úzce propojených komunitách. Například v lidském střevě jsou mikroby v těsné blízkosti a mohou snadno vyměňovat a těžit ze sdílených zdrojů.

Prochlorococcus jsou naopak volně plovoucí mikroby, které jsou pravidelně promíchávány v povrchových vrstvách oceánu. Zatímco vědci předpokládají, že plankton se podílí na určitém množství křížového krmení, přesně jak k tomu dochází a kdo by z toho měl prospěch, bylo historicky obtížné zkoumat; jakékoli látky, které Prochlorococcus uvolní, by měly mizivě nízké koncentrace a jejich měření by bylo mimořádně obtížné.

Ale v práci publikované v roce 2023 se Braakman spojil s vědci z WHOI, kteří zavedli způsoby měření malých organických sloučenin v mořské vodě. V laboratoři pěstovali různé kmeny Prochlorococcusu za různých podmínek a charakterizovali, co mikroby uvolňují. Zjistili, že mezi hlavními „exudáty“ nebo uvolněnými molekulami byly puriny a pyridiny, které jsou molekulárními stavebními bloky DNA. Molekuly jsou také bohaté na dusík – skutečnost, která tým zaskočila. Prochlorococcus se většinou vyskytuje v oceánských oblastech s nízkým obsahem dusíku, takže se předpokládalo, že si budou chtít ponechat všechny dusíkaté sloučeniny, které mohou. Proč je tedy místo toho vyhazovali?

Globální symfonie

Ve své nové studii se výzkumníci podrobněji zabývali detaily křížového krmení Prochlorococcusu a jeho vlivem na různé typy oceánských mikrobů.

Zaměřili se na studium toho, jak Prochlorococcus používá puriny a pyridiny dříve, než je vyloučí do svého okolí. Porovnávali publikované genomy mikrobů a hledali geny, které kódují metabolismus purinů a pyridinů. Sledováním genů v genomech tým zjistil, že jakmile jsou sloučeniny vyrobeny, používají se k výrobě DNA a replikaci genomu mikrobů. Jakékoli zbytky purinů a pyridinů se recyklují a znovu používají, i když se část z nich nakonec uvolňuje do životního prostředí. Prochlorococcus se zdá, že sloučeniny maximálně využívá a pak se zbavuje toho, co nezvládne.

Tým se také podíval na data o expresi genů a zjistil, že geny zapojené do recyklace purinu a pyrimidinu vrcholí několik hodin po rozpoznaném vrcholu replikace genomu, ke kterému dochází za soumraku. Otázkou pak bylo: kdo by mohl těžit z tohoto nočního uvolňování?

K tomu se tým podíval na genomy více než 300 heterotrofních mikrobů – organismů, které konzumují organický uhlík, namísto aby jej samy vyráběly fotosyntézou. Předpokládali, že takoví konzumenti uhlíku by mohli být pravděpodobnými konzumenty organických odpadků Prochlorococcusu. Zjistili, že většina heterotrofů obsahovala geny, které přijímají buď purin, nebo pyridin, nebo v některých případech obojí, což naznačuje, že mikroby se vyvíjely různými cestami, pokud jde o to, jak se křížově krmí.

Skupina se zaměřila na jeden purin-preferující mikroorganismus, SAR11, protože je nejhojnějším heterotrofním mikroorganismem v oceánu. Když pak porovnali geny napříč různými kmeny SAR11, zjistili, že různé typy používají puriny pro různé účely, od jejich prostého přijímání a používání v nezměněné podobě až po jejich rozklad pro energii, uhlík nebo dusík. Co by mohlo vysvětlovat rozmanitost v tom, jak mikroby používaly odpadky Prochlorococcusu?

Ukázalo se, že místní prostředí hraje velkou roli. Braakman a jeho spolupracovníci provedli metagenomovou analýzu, ve které porovnávali kolektivně sekvenované genomy všech mikrobů ve více než 600 vzorcích mořské vody z celého světa, zaměřené na bakterie SAR11. Metagenomové sekvence byly shromažďovány spolu s měřeními různých environmentálních podmínek a zeměpisných poloh, ve kterých se nacházejí. Tato analýza ukázala, že bakterie požírají purin pro jeho dusík, když je dusíku v mořské vodě málo, a pro jeho uhlík nebo energii, když je dusíku nadbytek – odhalují selekční tlaky formující tyto komunity v různých oceánských režimech.

„Práce zde naznačuje, že mikroby v oceánu vyvinuly vztahy, které zvyšují jejich růstový potenciál způsoby, které nečekáme,“ říká spoluautorka Kujawinská.

Nakonec tým provedl jednoduchý experiment v laboratoři, aby zjistil, zda by mohl přímo pozorovat mechanismus, kterým purin působí na SAR11. Pěstovali bakterie v kulturách, vystavili je různým koncentracím purinu a neočekávaně zjistili, že to způsobuje zpomalení jejich normální metabolické aktivity a dokonce i růstu. Když však vědci tyto stejné buňky umístili do environmentálně stresujících podmínek, pokračovaly v růstu silných a zdravých buněk, jako by metabolická pauza způsobená puriny pomohla připravit je na růst, čímž se vyhnuly účinkům stresu.

„Když uvažujete o oceánu, kde vidíte tento denní puls purinů uvolňovaných Prochlorococcus, to poskytuje denní inhibiční signál, který by mohl způsobovat pauzu v metabolismu SAR11, takže další den, když vyjde slunce, jsou připravené,“ říká Braakman. „Takže si myslíme, že Prochlorococcus působí jako dirigent v denní symfonii oceánského metabolismu a křížové krmení vytváří globální synchronizaci mezi všemi těmito mikrobiálními buňkami.“

Tato práce byla částečně podpořena nadací Simons Foundation a National Science Foundation.