پروب فلورسنت برای آشکارسازی تجزیه قندهای دریایی و مسیرهای کربن

پژوهشگران یک پروب مولکولی فلورسنت توسعه داده‌اند که هنگام تجزیه قندهای موجود در آب‌های دریایی روشن می‌شود و به دانشمندان این امکان را می‌دهد که به‌صورت آنی مشاهده کنند کدام میکروب‌ها کدام کربوهیدرات‌ها را می‌خورند و این تغذیه چگونه ذخیره کربن در اقیانوس را شکل می‌دهد. این ابزار رویکردی بصری و نو برای ردیابی تعاملات میکروسکوپی ارائه می‌دهد که بر جریان جهانی کربن تأثیر می‌گذارند و به‌ویژه برای مطالعات چرخه کربن اقیانوس و بیوژئوشیمی محیط دریایی اهمیت دارد.

How the glowing probe exposes hidden microbial meals

در مرکز این پیشرفت، یک مولکول قندی طراحی‌شده قرار دارد که با دو رنگ فلورسنت نشانه‌گذاری شده است. زمانی که ساختار قند یکپارچه است، رنگ‌ها با مکانیزمی شناخته‌شده به‌نام انتقال انرژی رزونانسی فورستر (Förster resonance energy transfer یا FRET) تابش مرئی را خاموش می‌کنند و پروب عملاً تاریک باقی می‌ماند. وقتی یک آنزیم—که توسط باکتری‌ها یا سایر میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شود—زنجیره قندی را قطع کند، تعامل FRET از بین می‌رود و مولکول آغاز به تابیدن می‌کند. این تابش موضع و زمان تجزیه قند را نشان می‌دهد و بنابراین تبدیل گلیکانی را در محیط زنده قابل مشاهده می‌سازد.

قابلیت این روش را می‌توان با تصور دنبال کردن یک شکوفایی جلبکی دید: فریم به فریم مشاهده می‌کنید که کدام سلول‌ها در حین هضم پلی‌ساکاریدهای پیچیده علائم فلورسنت را روشن می‌کنند. تیم پژوهشی این توانایی را با ردیابی α-مانان (α-mannan)، یک پلی‌ساکارید متداول که در جریان رویدادهای شکوفایی جلبکی آزاد می‌شود، نشان داد. پروب به فعالیت آنزیمی در سامانه‌های کنترل‌شده پاسخ داد: آنزیم‌های خالص، عصاره‌های باکتریایی، کشت‌های ایزوله و جوامع میکروبی ترکیبی نمونه‌برداری‌شده از آب دریا. این آزمایش‌ها نشان دادند که سیگنال فلورسنت می‌تواند از سطح آزمایشگاهی تا نمونه‌های مجتمع محیطی، فعالیت تجزیه گلیکانی را با حساسیت و انتخاب‌پذیری گزارش کند و به پژوهشگران امکان سنجش دقیق‌تری از دینامیک تجزیه قندها بدهد.

Why this matters for the ocean carbon cycle

قندهای تولیدشده توسط فیتوپلانکتون‌ها بخش عمده‌ای از کربن آلی موجود در سطح اقیانوس را تشکیل می‌دهند. با این حال، همه قندها به‌راحتی توسط میکروب‌ها مصرف نمی‌شوند. برخی پلی‌ساکاریدها از ساختار پیچیده‌ای برخوردارند و تجزیه آن‌ها مستلزم آنزیم‌های تخصصی است که تنها در شمار محدودی از میکروب‌ها یافت می‌شوند. زمانی که چنین قندهایی در برابر شکست مقاوم باشند، می‌توانند به شکل ذرات سنگین‌تر به عمق فرو روند و کربن را به دریاهای عمیق منتقل کنند، جایی که ممکن است برای دهه‌ها تا قرن‌ها به صورت ذخیره باقی بماند. این فرایند انتقال و ذخیره‌سازی کربن بخش مهمی از پمپ بیولوژیک کربن در اقیانوس‌ها است و نقش کلیدی در تعدیل اقلیم جهانی دارد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف غول های پنهان: پیشرفتی بزرگ در ویروس شناسی دریایی

کشف غول‌های پنهان: دستاوردی مهم در ویروس‌شناسی دریایی نتایج یک پژوهش برجسته نشان داده که بیش...

تا پیش از این، پیوند دادن یک میکروب خاص به گردش یک قند معین در محل (in situ) دشوار بود، زیرا جوامع طبیعی متنوع‌اند و بسیاری از میکروب‌ها قابل کشت‌دادن در شرایط آزمایشگاهی نیستند. پروب گلیکان فلورسنت این محدودیت را دور می‌زند، چرا که به‌صورت مستقیم فعالیت آنزیمی را در محیط گزارش می‌دهد بدون آنکه نیاز به شناسایی ژنومی پیشین باشد. این بدان معناست که پژوهشگران می‌توانند نرخ‌های گردش گلیکان را نگاشت کنند، فرایندهای تجزیه‌کننده فعال را شناسایی کنند و پیشروی فضاییِ تجزیه گلیکان را در زمان واقعی دنبال کنند—ورودی‌های کلیدی برای مدلسازی‌های انتقال و ذخیره‌سازی کربن. چنین داده‌هایی باعث بهبود مدل‌های بیوژئوشیمیایی می‌شود که برآورد می‌کنند چه مقدار کربن در نزدیکی سطح حفظ می‌شود و چه مقدار به عمق می‌رود.

گزارش‌دهی مستقیم فعالیت آنزیمی در محیط، مزایای عملی گسترده‌ای دارد: به‌جای استنتاج فعالیت از حضور یا عدم حضور ژن‌ها—که همیشه معادل اجرای عملکرد نیست—پروب فلورسنت عملکرد آنزیمی را بصورت واقعی نشان می‌دهد و سپس می‌توان آن مشاهده را با ابزارهای ژنومی (مانند توالی‌یابی تک‌سلولی یا متاژنومیک) و تصویربرداری ترکیب کرد تا ارگانیسم فعال شناسایی شود. این مزیت عملی فرآیند تطبیق متابولیسم با تبارشناسی (متابولیسم-تاکسونومی) را در جوامع پیچیده طبیعی هموار می‌سازد و داده‌های فیزیوولوژیک و اکولوژیک را به شکل مستقیم‌تری به مدل‌های بزرگ‌تر وارد می‌کند.

Interdisciplinary engineering: chemistry meets microbiology

پروب از طریق «اسمبل خودکار گلیکان» (automated glycan assembly) ساخته شد—یک روش شیمیایی که زنجیره‌های قندی تعریف‌شده را می‌سازد—و سپس با برچسب‌گذاری فلورسنت دقیق تکمیل شد. متخصصان علم کلوئید و رابط‌ها در همکاری نزدیک با میکروبیولوژیست‌ها و بوم‌شناسان دریایی، مولکولی طراحی کردند که در شرایط آب دریا پایدار باقی بماند و در عین حال هنگام قطع شدن توسط آنزیم‌های مرتبط واکنش سریعی نشان دهد. تیم ابتدا رفتار پروب را با آنزیم‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی کرد، سپس در کشت‌های میکروبی زنده و نمونه‌های جامعه پیچیده، و در نهایت نشان داد که این ابزار در مقیاس‌ها و شرایط مختلف از عملکرد قابل‌اطمینانی برخوردار است.

علاوه بر α-مانان، این رویکرد گستردنی است: با سنتز ساختارهای گلیکانی متفاوت و اتصال جفت‌های مناسب رنگ‌های FRET، پژوهشگران می‌توانند پروب‌هایی تولید کنند که برای پلی‌ساکاریدهای دیگر موجود در سامانه‌های دریایی و خاکی اختصاصی شوند. این تطبیق‌پذیری در مطالعه چرخش گلیکان‌ها از شکوفایی‌های جلبکی تا خاک و حتی روده انسان فرصت‌های تحقیقاتی جدیدی فراهم می‌آورد. به‌عنوان مثال، شناسایی تجزیه‌کنندگان اختصاصی در خاک می‌تواند به درک سیکل‌های کربن در اکوسیستم‌های زمینی کمک کند و پروب‌های مشابه در مطالعات میکروبیوم انسانی می‌توانند نقش گلیکانی در سلامت و بیماری را روشن کنند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

اوییدها افشا می کنند: کربن آلی محلول در اقیانوس های باستان

مقطع عرضی یک سنگ اکسید آهن به‌شکل تخم‌مرغ: این نمونه مانند یک کپسول زمانی حاوی اطلاعاتی...

Implications for research and climate science

کمی‌سازی دقیق این‌که چه کسی کدام قندها را تجزیه می‌کند—و تحت چه شرایط محیطی—درک مکانیکیِ مسیرهای کربنی در اقیانوس را بهبود می‌بخشد. این بینش‌ها می‌توانند مدل‌های بیوژئوشیمیایی را تصحیح کنند که می‌خواهند اندازه‌گیری کنند چه میزان کربن در نزدیکی سطح به‌دام می‌افتد و چه مقدار به اعماق فرو می‌رود. داده‌های پردازش میکروبی دقیق‌تر باعث می‌شوند پیش‌بینی‌های اقلیمی در مقیاس بزرگ‌تر با محدودکردن عدم‌قطعیت در یکی از «شیرهای» میکروسکوپی اما تأثیرگذارِ کربن در اقیانوس بهبود یابند. به‌عبارت دیگر، دانستن‌ دقیقِ نقش میکروب‌ها در تبدیل و انتقال گلیکان‌ها می‌تواند برآوردها از پتانسیل اقیانوس در جذب و ذخیره‌سازی کربن را قابل‌اعتمادتر کند.

این روش جدید همچنین کشف‌های زیستی-محیطی را تسریع می‌بخشد. به‌جای استنتاج فعالیت تنها از حضور ژن یا مسیرهای ژنتیکی، دانشمندان اکنون می‌توانند فعالیت عملکردی آنزیم‌ها را به‌طور مستقیم مشاهده کنند و سپس آن مشاهده را با ابزارهای ژنومی یا تصویربرداری ترکیب کنند تا موجود فعال شناسایی شود. این مزیت عملی تلاش‌ها برای پیوند دادن متابولیسم با تاکسونومی در جوامع طبیعی پیچیده را کارآمدتر می‌کند و زمان مورد نیاز برای آزمون فرضیه‌های اکولوژیک در مورد نقش گونه‌ها در چرخه‌های ماده را کاهش می‌دهد.

Expert Insight

«یک پروب بصری مانند این، قواعد بازی را در بوم‌شناسی میکروبی دریایی تغییر می‌دهد،» می‌گوید یک بوم‌شناس میکروبی ارشد که با این کار آشناست. «این ابزار به ما امکان می‌دهد پرسش‌های دقیقی مطرح کنیم: کدام تاکسون‌ها به یک شکوفایی جلبکی پاسخ می‌دهند، با چه سرعتی کربن ذخیره‌شده را آزاد یا متحرک می‌کنند، و آن کربن قبل از مصرف شدن تا چه فاصله‌ای جابه‌جا می‌شود؟ این‌ها جزئیات فرایندی هستند که مدل‌ها به آن‌ها نیاز دارند.»

در چشم‌انداز آینده، پژوهشگران قصد دارند کتابخانه‌ای از گلیکان‌های برچسب‌خورده با FRET را گسترش دهند، پروب‌ها را در طول سفرهای میدانی (field cruises) به کار گیرند و تصویربرداری فلورسانس را با ژنومیک تک‌سلولی و طیف‌سنجی جرمی ترکیب کنند. ترکیب این ابزارها تصویر ما از شبکه‌های غذایی میکروسکوپی و مسیرهای مولکولی که حرکت کربن را در اقیانوس کنترل می‌کنند، واضح‌تر و دقیق‌تر خواهد کرد. افزون بر این، داده‌های حاصل می‌توانند در توسعه شاخص‌های بیولوژیکی جدید برای پایش تغییرات محیطی و واکنش جوامع میکروبی به تغییرات اقلیمی کاربردی باشند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

انقلاب سه چرخه برقی باری: ترکیبی نوآورانه برای حمل ونقل شهری

به دنیای آینده دوچرخه‌های کاربردی خوش آمدید! تصور کنید قابلیت‌های یک چرخ‌دستی میوه‌فروش، چابکی یک دوچرخه...