Dulces partículas marinas resisten a las hambrientas bacterias

polisacárido sulfatado

Los azúcares marinos pertenecen a las biomoléculas más complejas que se encuentran en la naturaleza

Una vía importante para el secuestro de carbono en el océano es el crecimiento, la agregación y el hundimiento del fitoplancton, microalgas unicelulares como las diatomeas. Al igual que las plantas terrestres, el fitoplancton secuestra el carbono del dióxido de carbono atmosférico. Cuando las células de las algas se agregan, se hunden y llevan el carbono secuestrado con ellas al fondo del océano.

Esta denominada bomba de carbono biológica representa alrededor del 70 por ciento de las exportaciones anuales de carbono a las profundidades del océano. Se estima que del 25 al 40 por ciento del dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles emitido por los seres humanos puede haber sido transportado por este proceso desde la atmósfera hasta profundidades por debajo de los 1.000 metros, donde el carbono puede almacenarse durante milenios.

Rápida comunidad bacteriana

Sin embargo, aunque es muy importante, todavía se comprende poco cómo funciona a nivel molecular el proceso de bombeo de carbono.

Los científicos del grupo de investigación Marine Glycobiology, que se encuentra en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina y el MARUM (Centro de Ciencias Ambientales Marinas de la Universidad de Bremen) investigan en este contexto los polisacáridos marinos, es decir, compuestos hechos de múltiples unidades de azúcar, que son producidos por microalgas.

Estos azúcares marinos son muy diferentes a nivel estructural y pertenecen a las biomoléculas más complejas que se encuentran en la naturaleza. Una sola bacteria no es capaz de procesar esta compleja mezcla de azúcar. Por lo tanto, se necesitan muchas vías metabólicas y enzimas. En la naturaleza, esto se logra mediante una comunidad de diferentes bacterias que trabajan en estrecha y muy eficientemente juntas: un equipo perfectamente coordinado.

Esta comunidad bacteriana funciona tan bien que la mayor parte de los azúcares de microalgas se degradan antes de que se agreguen y comiencen a hundirse. Por lo tanto, una gran cantidad del carbono secuestrado se libera nuevamente a la atmósfera.

Pero, ¿cómo es posible que, no obstante, todavía se transporte mucho carbono a las profundidades marinas? Los científicos del grupo Marine Glycobiology revelaron ahora un componente que puede estar involucrado en este proceso.

"Encontramos un polisacárido sulfatado que contiene fucosa de microalgas, en resumen FCSP, que es resistente a la degradación microbiana", dice Silvia Vidal-Melgosa, primera autora del artículo. "Este descubrimiento desafía el paradigma existente de que las bacterias degradan rápidamente los polisacáridos".

Silvia Vidal Melgosa

Esta suposición es la razón por la que se pasan por alto los azúcares como sumideros de carbono, hasta ahora.

Los análisis de la comunidad bacteriana, que fueron realizados por científicos del departamento de Ecología Molecular del MPI en Bremen y la Universidad de Greifswald, mostraron que las bacterias tenían una baja abundancia de enzimas para la degradación de este azúcar.

Una parte crucial del hallazgo es que este azúcar resistente a los microbios formó partículas. Durante el crecimiento y tras la muerte, las diatomeas unicelulares liberan una gran cantidad de azúcares de cadena larga desconocidos y pegajosos. Con una concentración creciente, estas cadenas de azúcar se unen y forman redes moleculares. Otros componentes se adhieren a estos pequeños copos de azúcar, como otros trozos de azúcar, células de diatomeas o minerales.

Esto hace que los agregados sean más grandes y pesados y, por lo tanto, se hunden más rápido que las células de diatomeas individuales. Estas partículas necesitan unos diez días para alcanzar una profundidad de 1.000 metros, a menudo mucho más. Esto significa que el pegajoso núcleo de azúcar tiene que resistir la biodegradación durante al menos tanto tiempo para mantener unida la partícula. Pero esto es muy difícil ya que las bacterias que comen azúcar son muy activas y siempre tienen hambre.

Nuevo método para analizar azúcares marinos

Con el fin de desentrañar las estructuras de los polisacáridos de microalgas e identificar azúcares pegajosos resistentes, los científicos del grupo de investigación Marine Glycobiology están probando nuevos métodos. Esto es necesario porque los azúcares marinos se encuentran dentro de mezclas complejas de materia orgánica. En el caso de este estudio, utilizaron un método que se origina en la investigación médica y vegetal.

Combina la capacidad de alto rendimiento de los microarrays con la especificidad de las sondas de anticuerpos monoclonales. Esto significa que los científicos extrajeron las moléculas de azúcar de las muestras de agua de mar y las insertaron en una máquina que funciona como una impresora, que no usa tinta sino moléculas. Las moléculas se "imprimen" por separado en papel de nitrocelulosa, en forma de micromatriz.

estructura de los polisacáridos sulfatados

Imagen: Diferentes estructuras de polisacáridos están presentes en la materia orgánica disuelta de alto peso molecular (HMWDOM) y la materia orgánica particulada (POM) y muestran fluctuaciones en su abundancia durante la floración de las diatomeas.

Un microarray es como un microchip, pequeño como una uña, pero puede contener cientos de muestras. Una vez que las moléculas extraídas se imprimen en la matriz, es posible analizar los azúcares presentes en ellas. Esto se logra mediante el uso de sondas de anticuerpos monoclonales. Se agregan anticuerpos individuales a las matrices y, dado que reaccionan solo con un azúcar específico, los científicos pueden ver qué azúcares están presentes en las muestras.

"La nueva aplicación de esta tecnología nos permitió monitorear simultáneamente el destino de múltiples moléculas complejas de azúcar durante una floración de algas", dice Silvia Vidal-Melgosa. "Nos permitió encontrar la acumulación de azúcar FCSP, mientras que muchos otros polisacáridos detectados se degradaron y no almacenaron carbono". Este estudio prueba la nueva aplicación de este método.

"En particular, los carbohidratos complejos no se han medido antes en el medio ambiente con esta alta resolución molecular", dice Jan-Hendrik Hehemann, líder del grupo de glicobiología marina y autor principal del estudio. "En consecuencia, este es el primer conjunto de datos de glicómicos ambientales y, por lo tanto, la referencia para futuros estudios sobre la degradación microbiana de carbohidratos".

Siguiente paso: búsqueda de partículas en las profundidades marinas

El descubrimiento de FCSP en diatomeas, con propiedades adhesivas y de estabilidad demostradas, proporciona un polisacárido previamente no caracterizado que contribuye a la formación de partículas y, por lo tanto, potencialmente al secuestro de carbono en el océano. Uno de los próximos pasos en la investigación es "averiguar si las partículas de este azúcar existen en las profundidades del océano", dice Hehemann. "Eso indicaría que el azúcar es estable y constituye un actor importante de la bomba de carbono biológico".

Además, la estabilidad observada frente a la degradación bacteriana y la estructura y el comportamiento fisicoquímico de la diatomea FCSP apuntan hacia funciones biológicas específicas. "Dada su estabilidad frente a la degradación, FCSP, que recubre las células de diatomeas, puede funcionar como una barrera que protege la pared celular contra los microbios y sus enzimas digestivas", dice Hehemann.

Y por último, pero no menos importante, otra pregunta abierta por resolver: estas partículas de azúcar se encontraron en el Mar del Norte cerca de la isla de Helgoland. ¿Existen también en el mar de otras regiones del mundo?

Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Nature Communications: Diatom fucan polysaccharide precipitates carbon during algal blooms

Imagen de cabecera: La imagen de superresolución de Airyscan muestra que el polisacárido sulfatado que contiene fucosa, o FCSP, (en verde) se produjo alrededor de las células de la diatomea formadora de cadenas Chaetoceros socialis y sus espinas. Muestra recolectada durante el período de floración de diatomeas de primavera de 2016 en Helgoland. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiología Marina/S. Vidal-Melgosa

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