Vier jaar geleden deden wetenschappers een verrassende laboratoriumontdekking over oceaanbacteriën die waren geïnfecteerd door twee verschillende virussen:de infecties resulteerden in twee heel verschillende virocellen waarvan de functies volledig werden bepaald door virale behoeften in plaats van door hun bacteriële oorsprong.

"Ze werken dus anders, ook al was het dezelfde oudercel. Je liet dezelfde entiteit twee verschillende entiteiten worden van twee verschillende virussen", zegt Cristina Howard-Varona, wetenschappelijk onderzoeker in de microbiologie aan de Ohio State University en de eerste auteur van de studie. "Dit is fascinerend, omdat virale infecties voortdurend voorkomen."

De bevinding werd gedaan onder experimentele omstandigheden die het beste werden geacht voor het observeren van een voorheen onbekend fenomeen, waaronder hoge niveaus van het voedingsfosfaat in het water. Howard-Varona en collega's hebben het werk herhaald in een nieuw onderzoek onder omstandigheden met een laag fosfaatgehalte die meer lijken op de natuurlijke wereld, waar delen van de oceaan verstoken zijn van voedingsstoffen.

Ze ontdekten dat deze omstandigheden in de echte wereld een enorm verschil maakten in de manier waarop virale infecties de gastheerbacteriën beïnvloedden – zozeer zelfs dat de twee soorten geïnfecteerde cellen in het artikel worden weergegeven als een Venn-diagram om de functies en kenmerken weer te geven die ze alleen of afzonderlijk delen. in combinatie als gevolg van hun voedingsarme omgeving.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in The ISME Journal .

Het punt van de nieuwe bevindingen gaat niet alleen over hoe de twee virocellen zich individueel gedragen in een laag-fosfaatgebied van de oceaan, maar ook over hoeveel impact het milieu heeft op de routinematige gebeurtenis waarbij virussen bacteriën infecteren.

"Als je slechts één voedingsstof uitput, heeft dat een drastische impact:het verandert het beeld van de infectie, ook al gaat het om dezelfde cel en dezelfde virussen als in het eerdere onderzoek", aldus Howard-Varona.

"Dus wat zou er gebeuren als we het nog meer uithongeren of als we een andere voedingsstof uitputten? Dit vertelt ons dat het heel belangrijk zal zijn om cellen en virocellen te bestuderen onder voedingsomstandigheden die meer lijken op wat ze in de natuur tegenkomen."

Het onderzoek heeft potentieel om de grootschalige modellering van microbiële systemen in de oceaan te verbeteren, waarin tot nu toe de virocell-component ontbreekt, zegt Matthew Sullivan, co-senior auteur van beide onderzoeken en hoogleraar microbiologie aan de Ohio State.

‘Als we willen voorspellen hoe organismen bijdragen aan de geochemie van de oceanen, moeten we weten hoe celpopulaties met elkaar omgaan, hoe ze voedingsstoffen uit de omgeving halen en hoe dat de samenstelling van het organische materiaal verandert waaruit de cellen bestaan ​​– en hoe alles samen bijdraagt ​​aan het klimaat. verandering en de reactie van de oceanen op klimaatverandering", zegt Sullivan, tevens hoogleraar civiele techniek, milieutechniek en geodetische techniek en oprichter en directeur van het Ohio State Center of Microbiome Science.

"Hetzelfde geldt voor het modelleren van microben in bodems, die ook geen voedselrijke omgeving hebben en waar we heel weinig weten over virocellen en hoe ze bijdragen aan de gezondheid van wortels en gewassen."

In het nieuwe onderzoek ontdekten onderzoekers dat de twee infecterende virussen voldoende controle hadden over functies die de twee resulterende virocellen domineerden.

De virussen, fagen genoemd, werden geselecteerd vanwege hun zeer verschillende eigenschappen:de ene is genomisch zeer vergelijkbaar met de gastheerbacterie, dus concentreerde deze zich op het recyclen van bestaande hulpbronnen, en de andere, minder vergelijkbare faag moest harder werken om hulpbronnen te genereren. In beide gevallen is het doel om toegang te krijgen tot energie en het maken van virale kopieën te maximaliseren en uiteindelijk de gastheer te doden.

"Maar die verschillen werden kleiner in de omgeving met een laag fosfaatgehalte, dus ze zijn minder belangrijk. Dit suggereert dat de omgeving mogelijk een sterker effect heeft op hoe virocellen zich gedragen dan de infecterende virussen", aldus Howard-Varona.

En dan waren er nog activiteiten die beide virocellen gemeen hadden als reactie op de hongersnood:het activeren van een celbrede stressreactie, het verkrijgen van energie uit het metaboliseren van vetten in plaats van koolhydraten, en het verminderen van de hoeveelheid organisch materiaal die ze uit de omgeving consumeren.

"Elke cel ter wereld heeft fosfaat nodig om DNA en energie te maken, en zonder fosfaat is er dus geen leven, geen functie, geen metabolisme", aldus Howard-Varona. "En wat we hebben laten zien is dat virocellen onder deze omstandigheden overeenkomsten vertonen. Ze voelen de beperking van de voedingsstoffen en gedragen zich meer op dezelfde manier dan toen ze groeiden in een voedselrijke omgeving.

"Het milieu is erg belangrijk voor virusinfecties – en je kunt je dus voorstellen dat dit voor elke omgeving geldt."

De onderzoekers zullen veel van wat ze uit het mariene milieu hebben geleerd, toepassen op onderzoek naar virocellen in de bodem.

Co-auteurs zijn onder meer Azriel Krongauz, Natalie Solonenko, Ahmed Zayed en Subhadeep Paul uit de staat Ohio; co-eerste auteur Morgan Lindback en co-senior auteur Melissa Duhaime van de Universiteit van Michigan; Jane Fudyma en Malak Tfaily van de Universiteit van Arizona; William Andreopoulos en Tijana Glavina del Rio van de DOE; en Heather Olson, Young-Mo Kim, Jennifer Kyle en Joshua Adkins van het Pacific Northwest National Laboratory.

Meer informatie: Cristina Howard-Varona et al, Omgevingsspecifieke metabolische herprogrammering van virocell, The ISME Journal (2024). DOI:10.1093/ismejo/wrae055

Journaalinformatie: ISME-tijdschrift

Aangeboden door de Ohio State University