Wetenschap
Zombiecellen in de zee:virussen houden de meest voorkomende mariene bacteriën onder controle
Mariene microben beheersen de stroom van materie en energie die essentieel is voor het leven in de oceanen. Onder hen is de bacteriegroep SAR11 verantwoordelijk voor ongeveer een derde van alle bacteriën die in oppervlaktewater van de oceaan worden aangetroffen.
Uit een onderzoek van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen, Duitsland, blijkt nu dat bijna 20% van de SAR11-cellen soms door virussen is geïnfecteerd, waardoor het totale aantal cellen aanzienlijk afneemt. De virussen kunnen deze ooit zo bloeiende bacteriën ook in zombies veranderen, een fenomeen dat voor het eerst is waargenomen en wijdverbreid is in de oceanen. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .
De oceaanwateren rond het Duitse eiland Helgoland bieden een ideale omgeving om de algenbloei in de lente te bestuderen, een focus van onderzoek aan het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie sinds 2009.
In een eerder onderzoek observeerden de wetenschappers van Max Planck dat een groep bacteriën, SAR11 genaamd, bijzonder snel groeide tijdens deze bloei. Ondanks hun hoge groeipercentages is de overvloed aan SAR11 in vijf dagen echter met ongeveer 90% afgenomen. Dit suggereert dat de cellen snel werden gedecimeerd door roofdieren en/of virale infecties. Nu hebben de Max Planck-onderzoekers onderzocht wat er precies achter dit fenomeen schuilgaat.
De fagen vinden die SAR11 infecteren
“We wilden weten of de lage aantallen SAR11 werden veroorzaakt door fagen, dat wil zeggen virussen die specifiek bacteriën infecteren”, legt Jan Brüwer uit, die het onderzoek uitvoerde als onderdeel van zijn proefschrift. "Het beantwoorden van deze ogenschijnlijk eenvoudige vraag was methodologisch zeer uitdagend."
Hoe werkt faaginfectie? Fagen infecteren bacteriën door hun genetisch materiaal erin te introduceren. Eenmaal daar repliceert het en gebruikt het de bacteriële ribosomen om de eiwitten te produceren die het nodig heeft. Onderzoekers uit Bremen gebruikten een technologie waarmee ze het genetische materiaal van de faag in de cel konden 'volgen'.
"We kunnen de specifieke faaggenen kleuren en ze vervolgens onder de microscoop bekijken. Omdat we ook het genetisch materiaal van SAR11 kunnen kleuren, kunnen we tegelijkertijd met fagen geïnfecteerde SAR11-cellen detecteren", legt Brüwer uit.
Hoewel dit misschien eenvoudig lijkt, maakten de lage helderheid en de kleine omvang van de faaggenen het voor onderzoekers een uitdaging om ze te detecteren. Niettemin werden duizenden microscoopbeelden met succes geanalyseerd, wat spannend nieuws opleverde.
"We zagen dat SAR11-bacteriën massaal worden aangevallen door fagen", zegt Brüwer. "Tijdens perioden van snelle groei, zoals die geassocieerd met voorjaarsalgenbloei, raakte bijna 20% van de cellen geïnfecteerd, wat de lage celaantallen verklaart. Fagen zijn dus de ontbrekende schakel in het verklaren van dit mysterie."
Zombiecellen:een mondiaal fenomeen
Tot verbazing van de wetenschappers onthulden de beelden nog meer. "We ontdekten dat sommige van de met fagen geïnfecteerde SAR11-cellen geen ribosomen meer bevatten. Deze cellen bevinden zich waarschijnlijk in een overgangstoestand tussen leven en dood, daarom noemden we ze 'zombiecellen'", legt Brüwer uit.
Zombiecellen vertegenwoordigen een nieuw fenomeen dat niet alleen wordt waargenomen in zuivere SAR11-culturen, maar ook in monsters die bij Helgoland zijn verzameld. Bovendien onthulde analyse van monsters uit de Atlantische, Zuidelijke Oceaan en Stille Oceaan de aanwezigheid van zombiecellen, wat erop wijst dat dit fenomeen wereldwijd voorkomt.
“In onze studie maken zombiecellen tot 10% uit van alle cellen in de zee. Het wereldwijde voorkomen van zombiecellen vergroot ons begrip van de virale infectiecyclus”, benadrukt Brüwer. "We vermoeden dat in zombiecellen de nucleïnezuren in de ribosomen worden afgebroken en gerecycled om nieuw faag-DNA te maken."
Brüwer en zijn collega's veronderstellen dat niet alleen SAR11-bacteriën, maar ook andere bacteriën in zombies kunnen worden veranderd. Daarom willen ze de verspreiding van zombiecellen en hun rol in de virale infectiecyclus verder onderzoeken.
"Deze nieuwe bevinding bewijst dat de SAR11-populatie, ondanks dat ze zich zo snel deelt, massaal wordt gecontroleerd en gereguleerd door fagen", zegt Brüwer.
"SAR11 is erg belangrijk voor mondiale biogeochemische cycli, inclusief de koolstofcyclus, en daarom moet hun rol in de oceaan opnieuw worden gedefinieerd. Ons werk benadrukt de rol van fagen in het mariene ecosysteem en het belang van microbiële interacties in de oceaan."