Исследование раскрыло механизм, посредством которого микробиота способствует способности пельвици (peixe-boi) получать энергию исключительно из растительной пищи. Как крупнейшее пресноводное млекопитающее Бразилии, оно поддерживает вес почти в полтонны, питаясь только растениями, а секрет кроется в его кишечнике.
Картируя микробиоту амазонского пельвици (Trichechus inunguis), ученые обнаружили ранее неизвестный метаболический путь: животное обладает бактериями, способными расщеплять эпилактозу — углевод, который большинство известных микроорганизмов не могут переваривать.
Это открытие является частью более широкого исследования, которое продемонстрировало большое разнообразие микроорганизмов, генов и ферментов, связанных с усвоением растительной диеты этими животными. Помимо пресноводного вида, в исследовании также изучалась кишечная микробиота морского пельвици (Trichechus manatus). Результаты, опубликованные во вторник (02/11) в журнале Nature Microbiology, имеют значительный потенциал для биотехнологических применений.
Марио Мураками, директор Национальной лаборатории биовозобновляемых ресурсов Центра национальных исследований энергии и материалов (LNBr-CNPEM) и координатор исследования при поддержке FAPESP, отметил: «Амазонский пельвици питается большим количеством и разнообразием растений. Эта диета подвержена сезонным изменениям, переходя от сухого сезона к влажному. Поэтому на протяжении своей эволюции они разработали арсенал кишечных микроорганизмов, способных с исключительной эффективностью, около 80% до 86%, переваривать целлюлозу».
Благодаря этой способности, экосистема бактерий, архей, вирусов и грибов в кишечнике пельвици была естественной целью для группы Мураками, которая ранее изучала микробиом кишечника капибары (Hydrochoerus hydrochaeris), полуводного вида.
Мураками объясняет разницу в стратегии пищеварения: «У жвачных, таких как крупный рогатый скот, микробная ферментация происходит в основном до самого желудка, в рубце, где микроорганизмы начинают разрушать растительную биомассу. Пельвици и капибары используют иную стратегию: они являются ферментерами заднего кишечника, и большая часть этого процесса происходит после желудка. Поэтому микроорганизмы, живущие в кишечнике, играют фундаментальную роль в использовании богатой клетчаткой растительной диеты».
В исследовании проанализировали образцы 47 животных: 36 амазонских пельвици, содержащихся в Лаборатории водных млекопитающих Национального института исследований Амазонии (INPA) в Манаусе, и одиннадцать морских пельвици, находящихся на реабилитации в Программе морских млекопитающих НПО Aquasis в Сеара.
Мураками лично участвовал во всех фазах проводимых им исследований и даже нырнул в море для сбора образца. Он рассказал: «Был морской пельвици, который уже был реинтродуцирован в природу, но продолжал часто посещать район рядом с загоном, где восстанавливались другие животные. Случайно, пока мы там были, он испражнился, и появилась возможность собрать образец этого животного. Я не колебался: я прыгнул в воду, чтобы его получить».
Из более чем 6 тысяч геномов бактерий и других микроорганизмов, расшифрованных в анализах, более половины представляют виды, которые еще не описаны наукой. Что касается вирусов, связанных с этими микробными сообществами, около 80% были неизвестны.
Были также обнаружены тысячи генов и ферментов, которые могут быть использованы в различных биотехнологических приложениях. Мураками отмечает: «Было трудно выбрать, в чем углубляться биохимически. Теперь у нас есть данные для анализа как минимум в течение следующих десяти лет».
Одним из главных достижений исследования стало обнаружение ранее неизвестного фермента, используемого недавно открытой бактерией ‘Candidatus Epilactovorans intestinalis’ для расщепления эпилактозы. Поскольку этот сахар недоступен для подавляющего большинства микроорганизмов, эта способность служит адаптивным преимуществом в борьбе за питательные вещества в кишечнике. В будущем этот механизм может послужить вдохновением для создания новых пребиотических агентов — ингредиентов, которые служат «пищей» для стимуляции роста полезных бактерий в нашей собственной кишечной флоре.
При сравнении генома этой бактерии с другими, доступными в публичных базах данных, исследователи обнаружили схожую последовательность, происходящую из кишечной микробиоты народа Хадза, одной из последних групп охотников-собирателей Африки, чьи чуть более тысячи жителей живут на севере Танзании.
По мнению Мураками, это генетическое сходство не является совпадением. Он полагает, что способность перерабатывать эпилактозу может быть наследственным признаком общего предка всех млекопитающих. Одна из гипотез заключается в том, что традиционное питание народа Хадза продолжает обеспечивать необходимые питательные вещества для поддержания этой бактерии.
В другом аспекте исследование показало, что микроорганизмы пельвици работают сообща, чтобы переваривать самые твердые и волокнистые части растений, такие как целлюлоза и гемицеллюлоза. Эти бактерии комбинируют различные стратегии для «деконструкции» клеточной стенки растений, превращая высокожесткие структуры в питательные вещества, которые животное может усвоить.
Некоторые из этих метаболизированных соединений производятся из лигнина — вещества, придающего жесткость растениям и представляющего собой одно из основных препятствий для промышленного использования растительной биомассы. Этот набор микроорганизмов и ферментов может открыть новые биотехнологические решения для переработки сельскохозяйственных отходов и разработки биопродуктов, включая применение в биоэнергетике, сельском хозяйстве и других секторах биоэкономики.
Часть ферментов, идентифицированных в исследовании и участвующих в деконструкции растительной биомассы, также может быть оценена для применения в таких платформах, как Бразильский ферментный коктейль (Coquetel Enzimático Brasileiro, OpEn), разработанный в CNPEM и настраиваемый для обработки различных сырьевых материалов и отходов.
Мураками заключает: «Наш ферментный коктейль имеет большой потенциал для снижения зависимости Бразилии от импортных ферментов, а также для создания возможностей для появления новых индустрий на биологической основе. Эта работа показывает, что бразильское биоразнообразие является хранилищем решений для глобальных проблем и может вывести страну в лидеры гонки за устойчивым развитием».
Первыми авторами работы являются Габриэла Персиниоти, координирующая проект при поддержке FAPESP в CNPEM, и Марселе Мартинс, получившая стипендию постдокторантуры Фонда.



