Onder het oppervlak van de oceaan, een virus kaapt het metabolisme van het meest voorkomende organisme op aarde. Dat kan interessant zijn voor degenen onder ons die ademen.

Wetenschappers van Rice University analyseerden de rol van ferredoxine-eiwitten die worden geproduceerd wanneer fagen het vermogen van Prochlorococcus marinus om koolstof op te slaan veranderen en het broeikasgaseffect als gevolg van het verbruik van fossiele brandstoffen tegengaan.

P. marinus is een fotosynthetische cyanobacteriën die voornamelijk in de tropen en subtropen voorkomt, waar naar schatting 10 tot 27 (een octiljoen) van hen zonlicht gebruiken om zuurstof te produceren en gezamenlijk vier gigaton koolstof per jaar op te slaan. Een deel van deze koolstof levert kritische grondstoffen voor andere mariene organismen.

Maar fagen zijn niet hun vrienden. Het virus versterkt zichzelf door energie te stelen die de bacteriën uit licht produceren, het herprogrammeren van het genoom van het slachtoffer om te veranderen hoe het elektronen overdraagt.

P. marinus en zijn koolstofopslagmechanisme zijn temperatuurgevoelig, dus het moet toekijken hoe klimaatverandering de oceanen verwarmt en zijn bereik uitbreidt, zei Ian Campbell, een postdoctoraal onderzoeker van Rice en hoofdauteur van de studie in de Tijdschrift voor biologische chemie .

"De groei in het verspreidingsgebied van dit organisme in de oceanen zou de totale hoeveelheid koolstof die door deze microben wordt opgeslagen, kunnen vergroten, "zei hij. "Als alternatief, de virussen die deze bacteriën infecteren, kunnen de koolstoffixatie veranderen en mogelijk voorkomen dat gigaton koolstof jaarlijks uit de lucht wordt gehaald, volgens een recente projectie."

Campbell zei dat het doel van het onderzoek was om de verschillende manieren waarop virussen met hun gastheren omgaan te onderzoeken. In het proces, de onderzoekers ontdekten dat de faag de controle over de elektronenstroom in de gastheer zelf ontneemt, herbedrading van het metabolisme van de bacteriën. "Als het virus infecteert, het stopt de productie van de bacteriële eiwitten en vervangt het door zijn eigen varianten, " zei hij. "Ik vergelijk het met het plaatsen van een ander besturingssysteem in een computer."

De onderzoekers gebruikten synthetische biologietechnieken om faag- en cyanobacteriële eiwitten te mixen en matchen om te bestuderen hoe ze op elkaar inwerken. Een deel van de studie onder leiding van Rice-biochemicus George Phillips bepaalde ook voor de eerste keer de structuur van een belangrijk cyanofaag-ferredoxine-eiwit.

"Een faag zou normaal gesproken een cel binnengaan en alles doden, " zei Rice synthetisch bioloog Jonathan Silberg, de hoofdwetenschapper van de studie en directeur van Systems van de universiteit, Programma Synthetische en Fysische Biologie.

"Maar de resultaten van Ian suggereren dat deze fagen een complex controlemechanisme opzetten, "zei hij. "Ik zou niet zeggen dat ze hun gastheren zombificeerden, omdat ze de cellen in staat stellen een deel van hun eigen huishouding te blijven doen. Maar ze pluggen ook hun eigen ferredoxines in, zoals stroomkabels, om de elektronenstroom te verfijnen."

In plaats van direct met cyanofagen en P. marinus te werken, Campbell en zijn team gebruikten synthetische biologietools om veel grotere, beter begrepen Escherichia coli-bacteriën om genen tot expressie te brengen die interacties tussen de twee nabootsten.

"Een faag en een cyanobacteriën uit de oceaan nemen en proberen de biologie te bestuderen, vooral elektronenstroom, zou heel moeilijk zijn om te doen door middel van klassieke biochemie, Silberg zei. "Ian nam letterlijk partners van zowel de faag als de gastheer, ze samenbrengen door hun DNA in een ander cellulair systeem te coderen, en was in staat om snel enkele interessante resultaten te ontwikkelen.

"Het is een interessante toepassing van synthetische biologie om complexe dingen te begrijpen die anders moeilijk te meten zouden zijn, " hij zei.

De onderzoekers vermoeden dat het eiwit dat ze hebben gemodelleerd in E. coli, de Prochlorococcus P-SSM2 faag ferredoxine, is niets nieuws. "Mensen wisten dat fagen coderen voor verschillende dingen die elektronenoverdracht doen, maar ze wisten niet hoe ze de draden tussen de faag en de gastheer moesten verbinden, " zei Silberg. "Ze wisten ook niet veel over de evolutie van de faag. De structuur maakt duidelijk dat deze faag kan worden herleid tot specifieke voorouderlijke eiwitten die betrokken zijn bij fotosynthese."