Voor de Ph.D. pas afgestudeerde Julie Bethany Rakes, begon het allemaal als een mislukt experiment dat uiteindelijk een belangrijke ontdekking werd voor de microbiologische gemeenschap. Onlangs in Nature Communications , Professor Ferran Garcia-Pichel van Rakes and Regents rapporteerde over een nieuwe bacterie die in biokorsten op bodemcyanobacteriën jaagt. In deze publicatie beschrijven ze de levenscyclus, het aanvalsmechanisme en de ecologische impact van het nieuw ontdekte roofdier.

Bacteriën zijn overal en spelen een grote rol bij het in stand houden van ecologische processen over de hele wereld. In de woestijngrond gebruiken cyanobacteriën bijvoorbeeld fotosynthese om energie te produceren. Net als bij planten is hun rol bij de productie van zuurstof en stikstoffixatie van cruciaal belang voor het voortbestaan ​​van andere organismen. Cyanobacteriën vormen gemeenschappen die op het bodemoppervlak leven en biokorsten vormen. Deze gemeenschappen bieden enorme voordelen door stof op te vangen, erosie te voorkomen en de voedingsstoffen en het waterpeil in de bodem te verhogen.

Helaas, en ondanks hun rol bij het in stand houden van de ecosystemen, zijn cyanobacteriën de favoriete prooi van een nieuw ontdekt roofdier:Candidatus Cyanoraptor togatus (C. togatus).

"Er was iets dat de biokorsten doodde. Het was geen virus en het was geen klein dier. Het zou alleen een andere bacterie kunnen zijn," zei Garcia-Pichel.

Gezonde cyanobacteriële biokorsten lijken op aarde als ze droog zijn, maar als ze nat zijn, is hun groene pigmentatie zichtbaar; behalve dat biokorsten die zijn aangevallen door Cyanoraptor, open plekken van cyanobacteriën vertonen in cirkelvormige patronen, bekend als plaques, vergelijkbaar met kleine sprookjesringen. In het veld konden onderzoekers de ziekte identificeren door die ongewone plaques te observeren.

"Ik zag ze voor het eerst in Casa Grande, AZ en vervolgde dit proces van kijken naar regenbuien en onmiddellijk naar het veld rennen, soms 6 uur of langer rijden om ze op meerdere plaatsen in de Sonora- en Chihuahuan-woestijn te identificeren," zei Rakes.

Ze werkten in het veld en in het laboratorium om de ziekteverwekkende bacteriën te isoleren. Na isolatie werden bacteriën gekweekt en hun levenscyclus en aanvalsmechanisme vastgesteld.

In een vroeg stadium plant Cyanoraptor zich voort als kleine bolvormige cellen die propagules worden genoemd. Deze cellen groeien of delen niet; in plaats daarvan liggen ze gewoon op de loer en wachten geduldig op hun prooi. Wanneer de cyanobacterie dichtbij genoeg komt, valt Cyanoraptor aan, hecht zich aan de prooi en vormt een gespecialiseerde dockingstructuur, lost de huidachtige celwand van de prooi op en gaat de cel van de prooi binnen.

De propagules van Cyanoraptor zijn raar wat bacteriën betreft. Ze hebben een buitenste compartiment gebonden door twee membranen. Onderzoekers vermoeden dat dit compartiment een sleutelrol speelt bij de aanval, door eiwitten vast te houden en vervolgens vrij te geven die het buitenmembraan van hun prooi afbreken en het verzwakte cellichaam laten binnendringen. Dit compartiment is ook hoe Cyanoraptor zijn soortnaam krijgt, togatus, omdat ze lijken te zijn gehuld in een mantel of toga.

Eenmaal binnen eet Cyanoraptor de prooi weg en wordt hij groter en groter tot een worstachtige cel. Als het lang genoeg is, begint dit roofdier zich in veel cellen tegelijk te delen, uiteindelijk de prooi te doden en weer propagules te worden, wachtend op het volgende ongelukkige slachtoffer.

"Het is een roofdier dat in de cellen van hun prooi komt en ze van binnenuit opeet, wat verschrikkelijk is", zei Garcia-Pichel. "Het is echt als een microbiële horrorfilm."

Als cyanobacteriën sterven, zijn alle dingen die biokorsten doen om de woestijn ten goede te komen verdwenen. Waardevolle eigenschappen zoals stikstofkringloop, stofopvang en vochtretentie worden drastisch verminderd.

"Over het algemeen betekent dit dat er ernstige gevolgen kunnen zijn voor de gezondheid van de woestijn, minder voedingsstoffen, minder stabiele bodem- en waterretentie, waardoor de tijd dat planten en andere organismen actief kunnen zijn, wordt verkort. Met het verlies van deze functies kunnen organismen die afhankelijk zijn van deze diensten, zoals planten, kunnen lijden, wat dan verdere gevolgen kan hebben voor de voedselketen," zei Rakes.

Deze gedenkwaardige ontdekking zou niet mogelijk zijn geweest zonder de vasthoudendheid van Rakes en haar weigering om toe te geven aan wat aanvankelijk een mislukking leek. Gelukkig voor de toekomst van cyanobacteriën zette ze door.

Haar ontdekking toonde ook aan dat roofzuchtige bacteriën de structuur en functie van microbiële gemeenschappen over de hele wereld kunnen vormen, dat ze niet alleen een interessante biologische zeldzaamheid zijn.

Deze ervaring heeft haar wat wijsheid gegeven om door te geven aan andere afgestudeerde studenten:

"Volg die resultaten die onverwacht zijn of zelfs helemaal verkeerd lijken te zijn," zei ze. "Toen ik merkte dat ik 'dat is raar' zei, was dat vaak iets dat ik nog niet begreep. Zoals Ferran wijselijk tegen me zei:'In experimenten die je niet kunt verklaren, praten de microben tegen je.'"

Het volledige genoom van de nieuw ontdekte bacteriën is toegankelijk via de NCBI-database onder BioProject PRJNA730811. Rakes en Ferran zijn aangesloten bij de School of Life Sciences en bij het Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics. Dit onderzoek is gedaan in samenwerking met Shannon Lynn Johnson, een wetenschapper bij Los Alamos National Laboratory, en ook een SOLS-doctoraatsstudent. + Verder verkennen

Het bestuderen van roofzuchtig gedrag in het bacterierijk