发光的糖揭示微生物如何“吃掉”海水中的碳

来自不来梅的马克斯·普朗克海洋微生物研究所和海洋环境科学中心（MARUM）的扬-亨德里克·黑尔曼说：“糖在海洋生态系统中无处不在，但微生物是否以及如何降解所有糖仍然不清楚。”马克斯·普朗克胶体与界面研究所的彼得·泽贝格尔补充道：“这种新探针让我们能够实时观察这一过程。”

糖与海洋碳
藻类吸收二氧化碳并将其转化为氧气和有机物，糖在这一过程中起着核心作用。然而，并非所有糖都容易被微生物消化。有些糖非常复杂，只有少数微生物能分解它们。当这些难以降解的糖抵抗分解时，它们含有的碳会沉入海底，可能被困数百年，直到合适的酶出现。长期以来，确定哪些微生物能消化特定的糖一直是科学家面临的挑战，尤其是在多样的海洋生态系统中。

观察糖发光
为解决这一问题，团队利用自动化聚糖组装技术，制造出一种标记有两种荧光染料的糖。这些染料通过一种名为福斯特共振能量转移（FRET）的过程相互作用，共同充当分子开关。探针完整时不发光，但一旦酶破坏了糖的主链，它就会发光。这使科学家能准确看到糖在何时何地被降解。研究人员通过追踪α-甘露聚糖的周转来测试该探针，α-甘露聚糖是一种在藻华中发现的多糖（长糖链）。它在纯化酶测试、细菌提取物、活细胞培养甚至复杂的微生物群落中都表现有效。

马克斯·普朗克海洋微生物研究所的鲁道夫·阿曼说：“这项研究是马克斯·普朗克研究所间跨学科合作的绝佳范例。借助我们的FRET聚糖，我们现在有了研究海洋中浮游植物与浮游细菌相互作用的新工具。”

揭示隐藏的降解者
通过追踪α-甘露聚糖的周转，这种聚糖探针为研究微生物代谢开辟了新途径，且无需事先掌握基因组知识。研究人员现在可以在原位精确定位活跃的降解者，绘制聚糖分解在时空上的进展，并量化复杂群落中的周转速率。这一工具为深入了解从海洋藻华到人类肠道等生态系统中的聚糖循环铺平了道路。通过观察哪些微生物被激活以及在何种条件下被激活，科学家可以将特定的酶活性与环境过程联系起来，最终更好地理解海洋中的碳通量。

马克斯·普朗克胶体与界面研究所的第一作者康纳·克劳福德总结道：“糖是海洋碳循环的核心。有了这种FRET探针，我们可以问：谁在吃什么，在哪里吃，什么时候吃？”