Морские цианобактерии – это крошечные океанические бактерии, которые формируют основу пищевой цепочки Мирового океана. Другие организмы питаются не только ими, но и кислородом, который они образуют, ведь цианобактерии способны к фотосинтезу, в процессе которого происходит выделение кислорода.
Океанологи, работающие в Center for Microbial Oceanography: Research and Education (C-MORE) Национального научного фонда (National Science Foundation, NSF), расположенного на Гавайях, выявили ещё одну важную роль этих крошечных клеток – цианобактерии непрерывно производят и выпускают пузырьки — сферические «резервуары», содержащие углерод и прочие питательные вещества, которые играют не последнюю роль в питании морских обитателей. В пузырьках также содержится ДНК, которая, вероятно, служит средством транспортировки генов внутри и между сообществами подобных бактерий, к тому же ДНК может служить ложной приманкой для «обмана» вирусов.
Хотя внеклеточные пузырьки были впервые обнаружены в 60-е годы ХХ столетия, лишь недавно были найдены доказательства их существования в океане. Это открытие обеспечивает важную основу для понимания этих структур и их роли в обмене генетическим материалом между морскими организмами.
По словам Dragana Brzakovic, директора программы NSF в Office of International and Integrative Activities, C-MORE объединяет молекулярную экологию, геномику, экологическое моделирование с использованием технологий дистанционного зондирования для того, чтобы усовершенствовать познания учёных о морском микробном сообществе и его связи с происхождением жизни на Земле.
24 января 2014 года в журнале «Science» была опубликована статья под названием «Бактериальные пузырьки в морских экосистемах» (Bacterial Vesicles in Marine Ecosystems). Steven Biller из Massachusetts Institute of Technology (MIT) и Sallie (Penny) Chisholm из MIT Department of Civil and Environmental Engineering в сотрудничестве с несколькими соавторами сообщили о своём открытии огромного количества внеклеточных пузырьков, связанных с двумя наиболее распространёнными видами цианобактерий Prochlorococcus и Synechococcus.
Исследователи нашли пузырьки (каждый примерно 100 миллимикрон в диаметре) в пробах морской воды, взятых в прибрежных водах Новой Англии и в Саргассовом море, расположенных в северной части Атлантического океана.
По словам Biller, первого автора научной публикации, тот факт, что пузырьки содержатся в воде в таком изобилии, значительно расширяет контекст, в рамках которого учёные должны понять эти структуры. Он отмечает, что пузырьки – это ранее неизвестные и неизученные компоненты растворённого органического углерода в морских экосистемах, поэтому, вполне возможно, что именно они могут оказаться важным инструментом для генетического и биогеохимического обмена в океанах.
Проведенный Biller анализ генетического материала в пузырьках, изъятых из проб морской воды, показал последовательности из множества разнообразных бактерий, позволяя предположить, что производство пузырьков может быть свойственно многим морским микроорганизмам. Исследователи оценивают, что ежедневный объем мирового производства пузырьков одними лишь цианобактериями Prochlorococcus оценивается в миллиарды миллионов, что позволяет восполнять потребности в углероде.
Лабораторные эксперименты показали, что пузырьки являются довольно устойчивыми, они могут существовать 2 и более недели, а органический углерод, который они содержат, обеспечивает достаточное количество питательных веществ, необходимых для поддержания роста нефотосинтезирующих бактерий.
Учитывая недостаток питательных веществ в открытом океане, ежедневное производство пузырьков цианобактериями, размер которых составляет 1/6 размера бактерии, весьма озадачивает учёных. Prochlorococcus потеряли способность нейтрализовывать определённые химические вещества и во многом зависят от нефотосинтезирующих бактерий, которые помогают им от токсичных веществ.
По словам Chisholm, который является главным научным сотрудником проводимых исследований, Prochlorococcus – это самый маленький ген, который способен производить органический углерод из солнечного света и углекислого газа, выпуская его в последующем в морскую среду.
Поскольку пузырьки содержат ДНК и РНК, исследователи предполагают, что они могут играть роль в горизонтальном переносе генов, создавая тем самым условия для формирования генетического разнообразия. Исследователи обнаружили, что самая необычная потенциальная роль пузырьков в том, что они служат «приманкой» для хищников – электронная микроскопия показал, что фаги (вирусы, которые атакуют бактерии) также были свойственны пузырькам. После того как фаг передает свою ДНК бактерии, соединённой с пузырьком, она становится неопасной. Учёные полагают, что это открытие позволит разработать новые эффективные средства борьбы с вирусами и бактериями.
