In zoetwatermeren, microben reguleren de koolstofstroom en bepalen of de waterlichamen dienen als koolstofputten of koolstofbronnen. Vooral algen en cyanobacteriën kunnen koolstof vasthouden en gebruiken, maar hun vermogen om dit te doen kan worden beïnvloed door virussen. Virussen bestaan ​​tussen alle bacteriën, meestal in een 10-voudige overmaat, en zijn samengesteld uit verschillende groottes, variërend van gigantische virussen, tot veel kleinere virussen die bekend staan ​​als virofagen (die in gigantische virussen leven en hun machines gebruiken om te repliceren en zich te verspreiden). Virofagen kunnen de manier veranderen waarop een gigantisch virus interageert met zijn eukaryote gastheercel. Bijvoorbeeld, als algen gelijktijdig worden geïnfecteerd door een virofaag en een gigantisch virus, de virofaag beperkt het vermogen van het gigantische virus om efficiënt te repliceren. Dit vermindert de impact die een gigantisch virus heeft op de omleiding van voedingsstoffen, waardoor de waardalgen zich kunnen vermenigvuldigen, wat kan leiden tot frequentere algenbloei.

Met behulp van metagenoomdatasets die over meerdere jaren zijn verzameld in noordelijke zoetwatermeren, een team onder leiding van onderzoekers van de Ohio State University en het Amerikaanse Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, ontdekte 25 nieuwe sequenties van virofagen. Gemeld op 11 oktober 2017 in Natuurcommunicatie , de identificatie van deze nieuwe sequenties verdubbelt effectief het aantal virofagen dat bekend is sinds hun ontdekking tien jaar geleden.

"Meestal zijn metagenoomdatasets eenmalig, " zei DOE JGI-wetenschapper en eerste auteur Simon Roux. "Mensen begonnen virofagen te zien in metagenomen, maar tot nu toe had niemand een lange tijdreeks. Was het hier ooit? Altijd? We hebben dit nooit echt geweten, maar het is een cruciaal stuk informatie om hun belang te begrijpen."

Het werk vloeide voort uit een voorstel van het Community Science Program (CSP) met betrekking tot noordelijke zoetwatermeren door KT (Trina) McMahon van de Universiteit van Wisconsin-Madison. Monsters van microbiële gemeenschappen in Lake Mendota en Trout Bog Lake werden gedurende meerdere jaren regelmatig verzameld als onderdeel van het NSF-gefinancierde North Temperate Lakes Long Term Ecological Research (NTL-LTER)-project van de National Science Foundation. Door deze metanomen uit de 3-jarige en de 5-jarige tijdreeks te sequencen en te analyseren, kunnen onderzoekers de leden van de gemeenschap identificeren, bepalen hun metabole routes, en volgen veranderingen in gemeenschappen over meerdere jaren.

Naast het kijken naar de microbiële gemeenschappen, McMahon en Rex Malmström, hoofd van de DOE JGI Micro-Scale Applications-groep, vroeg medewerker Matt Sullivan van de Ohio State University of hij geïnteresseerd zou zijn om dezelfde metagenomische datasets te gebruiken om de virale ecologie van de meren te bekijken. Roux begon de datasets te ontginnen terwijl hij nog een postdoctoraal onderzoeker was bij het Sullivan-lab. "Ik wist dat er veel virussen in de sequentiegegevens zaten, maar niet dat sommige virussen zelf gastheer waren voor andere virussen, " zei Malmstrom. "Met tijdreeksgegevens zouden we meer kunnen doen dan het genoom samenstellen en fylogenetische bomen bouwen, de gegevens stelden ons in staat om genetische variatie binnen populaties te onderzoeken en te zoeken naar patronen van gelijktijdig voorkomen en overvloed tussen virofagen en hun gigantische virusgastheren. Met zoveel tijdstippen in de dataset, je kunt sterke verbindingen vinden."

Trina McMahon, wiens CSP-datasets de basis vormden van dit werk, zegt dat het hebben van de virale ecologie-informatie helpt om een ​​completer beeld van het ecosysteem te krijgen. "We zijn verheugd om nog een stukje van de puzzel te hebben. Virussen spelen duidelijk een belangrijke rol bij het vormgeven van de samenstelling van de gemeenschap en daarom functioneren, van het hele ecosysteem van het meer. Mijn eigen lab mist de expertise om alleen virussen aan te pakken, daarom is de samenwerking met Simon en Matt Sullivan zo belangrijk. Ons doel op lange termijn is om genoeg te leren over de krachten die de gemeenschap en de dynamiek beheersen, evenals de ecologische kenmerken van elke afstamming, in order to create more predictive models about how freshwater lakes will respond to climate and land-use change, at an ecosystem scale."

Aside from doubling the number of virophages in public databases, the time series allowed Roux and his colleagues to see the viruses' ecological profiles - if factors such as the seasons or abundance of particular microbes influenced their own presence. Through co-occurrence analysis, the researchers associated the virophages with sequences of known lineages of giant viruses, and proposed the existence of 3 new groups of candidate giant viruses infected by virophages. These co-occurrence analyses also allowed them to find putative associations between the giant virus sequences and specific eukaryotic hosts.

"These findings are correlation-based, " noted Roux, "but it's a good example of a metagenomics use case. Metagenomes helped us not only discover new viral diversity and determine what it should do in the ecosystem, but it helps us design hypothesis and follow-up experiments about virus-host interactions so we're not just throwing out a wide net blindly."