Een diepe duik in de 5.500 mariene RNA-virussoorten die wetenschappers onlangs hebben geïdentificeerd, heeft ontdekt dat verschillende kunnen helpen om koolstof die uit de atmosfeer wordt geabsorbeerd, naar permanente opslag op de oceaanbodem te brengen.

De analyse suggereert ook dat een klein deel van deze nieuw geïdentificeerde soorten genen had 'gestolen' van organismen die ze besmetten, waardoor onderzoekers hun veronderstelde gastheren en functies in mariene processen kunnen identificeren.

Naast het in kaart brengen van een bron van fundamentele ecologische gegevens, leidt het onderzoek tot een beter begrip van de buitenmaatse rol die deze kleine deeltjes spelen in het oceaanecosysteem.

"De bevindingen zijn belangrijk voor de ontwikkeling van modellen en het voorspellen van wat er gebeurt met koolstof in de juiste richting en in de juiste grootte", zegt Ahmed Zayed, een onderzoekswetenschapper in microbiologie aan de Ohio State University en mede-eerste auteur van de studie.

De kwestie van de grootte is een serieuze overweging als we rekening houden met de uitgestrektheid van de oceaan.

Hoofdauteur Matthew Sullivan, hoogleraar microbiologie aan de staat Ohio, stelt zich voor om virussen te identificeren die, wanneer ze op grote schaal worden ontwikkeld, zouden kunnen functioneren als controleerbare "knoppen" op een biologische pomp die invloed heeft op de manier waarop koolstof in de oceaan wordt opgeslagen.

"Omdat mensen meer koolstof in de atmosfeer brengen, zijn we afhankelijk van de enorme buffercapaciteit van de oceaan om de klimaatverandering te vertragen. We worden ons er steeds meer van bewust dat we de pomp misschien moeten afstemmen op de schaal van de oceaan, " zei Sullivan.

"We zouden geïnteresseerd zijn in virussen die zouden kunnen afstemmen op een beter verteerbare koolstof, waardoor het systeem kan groeien, steeds grotere cellen kan produceren en zinken. En als het zinkt, winnen we nog een paar honderd of duizend jaar van de slechtste effecten van klimaatverandering.

"Ik denk dat de samenleving in feite rekent op dat soort technologische oplossing, maar het is een complex fundamenteel wetenschappelijk probleem om uit elkaar te halen."

De studie verschijnt vandaag online in Science .

Deze RNA-virussen werden gedetecteerd in planktonmonsters verzameld door het Tara Oceans Consortium, een lopend wereldwijd onderzoek aan boord van de schoener Tara van de impact van klimaatverandering op de oceaan. De internationale inspanning heeft tot doel om betrouwbaar te voorspellen hoe de oceaan zal reageren op klimaatverandering door kennis te maken met de mysterieuze organismen die daar leven en het meeste werk doen door de helft van de door de mens gegenereerde koolstof in de atmosfeer te absorberen en de helft van de zuurstof te produceren die we inademen .

Hoewel deze mariene virale soorten geen bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid, gedragen ze zich zoals alle virussen doen, elk infecteert een ander organisme en gebruikt zijn cellulaire machinerie om kopieën van zichzelf te maken. Hoewel het resultaat altijd als slecht voor de gastheer kan worden beschouwd, kunnen de activiteiten van een virus voordelen opleveren voor het milieu, bijvoorbeeld door een schadelijke algenbloei te helpen verdrijven.

De truc om te bepalen waar ze in het ecosysteem passen, is het ontwikkelen van computertechnieken die informatie over RNA-virale functies en gastheren kunnen halen uit fragmenten van genomen die, volgens genomics-standaarden, klein zijn om mee te beginnen.

"We laten de gegevens onze leidraad zijn", zegt co-eerste auteur Guillermo Dominguez-Huerta, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sullivan.

Statistische analyse van 44.000 sequenties onthulde structurele patronen van virusgemeenschappen die het team gebruikte om RNA-virusgemeenschappen toe te wijzen aan vier ecologische zones:Arctisch, Antarctisch, gematigd en tropisch epipelagisch (het dichtst bij het oppervlak, waar fotosynthese plaatsvindt) en gematigd en tropisch mesopelagisch (200- 1000 meter diep). Deze zones komen nauw overeen met zonetoewijzingen voor de bijna 200.000 mariene DNA-virussoorten die de onderzoekers eerder hadden geïdentificeerd.

Er waren enkele verrassingen. Terwijl de biodiversiteit de neiging heeft om zich te verbreden in warmere streken nabij de evenaar en dicht bij de koudere polen te dalen, zei Zayed dat een netwerkgebaseerde ecologische interactie-analyse aantoonde dat de diversiteit van RNA-virale soorten groter was dan verwacht in de Arctische en Antarctische wateren.

"Als het op diversiteit aankomt, geven virussen niets om de temperatuur", zei hij. "Er waren meer duidelijke interacties tussen virussen en cellulair leven in poolgebieden. Dat vertelt ons dat de grote diversiteit waar we naar kijken in poolgebieden in feite is omdat we meer virale soorten hebben die strijden om dezelfde gastheer. We zien minder soorten gastheren, maar meer virale soorten die dezelfde gastheren infecteren."

Het team gebruikte verschillende methodologische benaderingen om waarschijnlijke gastheren te identificeren, eerst de gastheer af te leiden op basis van de classificatie van de virussen in de context van marien plankton en vervolgens voorspellingen te doen op basis van hoe hoeveelheden virussen en gastheren "co-varieren" omdat hun abundanties afhankelijk zijn van elkaar. De derde strategie bestond uit het vinden van bewijs van integratie van RNA-virussen in cellulaire genomen.

"De virussen die we bestuderen, voegen zichzelf niet toe aan het gastheergenoom, maar velen worden per ongeluk in het genoom geïntegreerd. Als het gebeurt, is het een aanwijzing over de gastheer, want als je een virussignaal vindt in een gastheergenoom, is het omdat het virus op een gegeven moment in de cel zat', zei Dominguez-Huerta.

Terwijl de meeste dsDNA-virussen bacteriën en archaea infecteerden, die overvloedig aanwezig zijn in de oceaan, bleek uit deze nieuwe analyse dat RNA-virussen voornamelijk schimmels en microbiële eukaryoten en, in mindere mate, ongewervelde dieren infecteren. Slechts een klein deel van de mariene RNA-virussen infecteert bacteriën.

De analyse leverde ook de onverwachte ontdekking op van 72 waarneembare functioneel verschillende ondersteunende metabolische genen (AMG's) verspreid over 95 RNA-virussen, die enkele van de beste aanwijzingen gaven over welke soorten organismen deze virussen infecteren en welke metabolische processen ze proberen te herprogrammeren om de "fabricage" van virussen in de oceaan te maximaliseren.

Verdere netwerkgebaseerde analyse identificeerde 1.243 RNA-virussoorten die verband houden met koolstofexport en, zeer conservatief, werden 11 verondersteld betrokken te zijn bij het bevorderen van koolstofexport naar de bodem van de zee. Daarvan werden twee virussen die zijn gekoppeld aan gastheren in de algenfamilie geselecteerd als de meest veelbelovende doelen voor follow-up.

"Modelleren komt op het punt waarop we zakken met genen uit deze grootschalige genomische onderzoeken kunnen halen en metabole kaarten kunnen schilderen", zegt Sullivan, ook een professor in civiele, milieu- en geodetische engineering en oprichter van het Center of Microbiome Science van Ohio State. .

"Ik stel me voor dat ons gebruik van AMG's en deze virussen waarvan wordt voorspeld dat ze bepaalde gastheren zullen infecteren, die metabole kaarten daadwerkelijk zullen inbellen in de richting van de koolstof die we nodig hebben. Het is door die metabolische activiteit die we waarschijnlijk moeten ingrijpen."

Sullivan, Dominguez-Huerta en Zayed zijn ook teamleden van het EMERGE Biology Integration Institute in de staat Ohio.