Nature Ecology & Evolution: У животных нашли ферменты, расщепляющие микробный пластик

В сенсационном исследовании, проведенном специалистами Института морской микробиологии Общества Макса Планка, обнаружено, что многие виды животных обладают ферментными системами, способными разрушать полигидроксиалканоаты — природные полиэфиры, которые бактерии синтезируют как резервное хранилище органического углерода. До настоящего момента в научной среде преобладала точка зрения, согласно которой утилизация этих биополимеров является исключительно прерогативой самих микроорганизмов, продуцирующих их в процессе метаболизма. Однако данные, обнародованные на страницах престижного журнала Nature Ecology & Evolution, опровергают это устоявшееся представление.

В ходе масштабного филогенетического анализа ученые идентифицировали гены, кодирующие подобные ферменты, более чем у шестидесяти шести видов животных, принадлежащих к девяти различным таксономическим типам. Среди них оказались как обитатели морских глубин — полихеты, губки и морские звезды, так и распространенные наземные организмы, включая дождевых червей и коллембол. Столь широкая представленность в разных эволюционных ветвях указывает на то, что эта физиологическая способность возникла независимо и закрепилась у самых разных групп беспозвоночных, а не является единичной адаптацией изолированных таксонов.

Первоначально внимание исследователей привлек необычный образ жизни бескишечного морского червя Olavius algarvensis, который существует в тесном эндосимбиозе с бактериями, колонизирующими его подкожное пространство. Этот червь полностью утратил пищеварительный тракт и зависит от своих микробных партнеров, часть которых периодически переваривается, предоставляя хозяину необходимые питательные вещества. Именно внутри бактериальных симбионтов ученые зафиксировали значительные скопления гранул ПГА, используемых микроорганизмами в качестве депо углерода. Удивительно, но в зоне деградации бактериальных клеток был выявлен специфический фермент, расщепляющий эти полимеры на низкомолекулярные фрагменты, которые затем усваиваются тканями червя — это позволяет ему эффективно извлекать углеродные резервы из переваренных симбионтов.

Ободренные этим открытием, ученые решили проверить, является ли данный механизм уникальным для Olavius algarvensis, и провели скрининг генетических баз данных представителей самых разных систематических групп. Поразительно, но аналогичные последовательности обнаружились у десятков видов, которые не имеют никаких родственных связей с изученным червем. Последующие лабораторные эксперименты с изолированными ферментами окончательно подтвердили: у эволюционно далеких таксонов эти белки действительно сохраняют активность в отношении ПГА и способны катализировать их гидролиз.

Полигидроксиалканоаты широко распространены в природе — они синтезируются огромным количеством бактерий и архей, населяющих почвенные горизонты, донные осадки и водную толщу, выполняя функцию внутриклеточного запаса углерода и энергии. Эти соединения являются полноценными биоразлагаемыми полимерами, которые в естественных условиях утилизируются микрофлорой без остатка. Сегодня ПГА привлекают все большее внимание промышленности: из них производят экологически чистые пластики для упаковки, одноразовой гигиенической продукции, сельскохозяйственной мульчи и даже имплантируемых медицинских устройств. Технология получения таких материалов основана на ферментационной культивации бактерий, после чего биомассу перерабатывают и выделяют полимерное сырье.

Однако новое открытие немецких ученых кардинально расширяет представление о том, как углерод циркулирует в экосистемах. Оно доказывает, что животные способны получать органический углерод не только опосредованно — через потребление бактериальной биомассы, — но и напрямую, вскрывая запасные включения внутри микробных клеток с помощью собственных ферментных инструментов. Авторы работы предполагают, что данный метаболический путь может быть гораздо более распространенным в природе, чем считалось ранее. В то же время остается открытым вопрос о масштабах этого явления: насколько существенный вклад вносит подобный механизм в глобальный круговорот углерода на планете, и какое место он занимает среди других путей утилизации органики в пищевых цепях.