Зомби-клетки в океане: как вирусы управляют судьбой самых распространенных бактерий

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Океан — это огромный и загадочный мир, населенный невероятным количеством микроорганизмов. Среди них выделяются SAR11, крошечные бактерии, составляющие 20-50% всех планктонных клеток в океане. Их роль в биогеохимических циклах планеты неоценима, но механизмы, обеспечивающие их успех, до сих пор остаются не до конца понятными.

SAR11, вольная интерпретация
Автор: Designer

Долгое время считалось, что SAR11 — это медленные и скрытные бактерии, способные избегать атак вирусов. Однако, последние исследования показали, что SAR11 все-таки подвержены нападениям, называемых пелагифагами, вирусов, специализирующихся на заражении именно этих бактерий. Эти вирусы, помимо того, что являются самыми распространенными в океане, способны управлять численностью SAR11, играя важнейшую роль в их экологии.

В новом исследовании, проведенном группой ученых из Института морской микробиологии им. Макса Планка, впервые удалось визуализировать и количественно оценить количество SAR11 клеток, инфицированных пелагифагами, в различных экосистемах океана. Используя флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH), ученые не только обнаружили зараженные клетки, но и открыли новый тип клеток, отличающийся отсутствием рибосом, — «зомби"-клетки.

На гистограммах представлены триплицированные образцы в течение цикла заражения. «p.i.» означает «после заражения». Отрицательный контроль был неинфицированным. Количество 100% соответствует общему количеству клеток, окрашенных DAPI. Примеры микроскопических изображений справа: DAPI (ДНК; голубой), FISH для 16S рРНК (желтый) и фаговые гены с помощью прямого генного FISH (пурпурный). Контуры нарисованы вручную. Изображения регистрировали с помощью SR-SIM на ZEISS LSM780, оснащенном ELYRA PS.1, и анализировали с помощью программы ZEN. Масштабная линейка: 0,5 мкм.
Автор: Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. et al. Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells. Nat Commun 15, 3715 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Впервые такие клетки были замечены во время цветения водорослей, когда до 19% SAR11 клеток были инфицированы. В это время наблюдалось резкое, почти 90%, сокращение популяции SAR11 всего за 5 дней. Появление зомби-клеток, хотя и не является единственной причиной этого сокращения, дает представление о том, как вирусы могут влиять на динамику SAR11.

A Концентрация хлорофилла a, как показатель развития цветения фитопланктона, B Скорость деления клеток SAR11 и C Данные по количеству клеток SAR11 ранее были представлены в работе. 15. D Доля инфицированных фагами клеток SAR11 (желтый цвет; по отношению к количеству клеток SAR11) как необработанные значения за день. Сглаживание Loess представлено в виде линейных графиков. E Доля зомбированных клеток (фиолетовый; по отношению к общему количеству клеток, окрашенных DAPI) представлена в виде необработанных значений за день. Сглаживание Loess представлено в виде линейных графиков. Среднее значение отрицательного контроля по всем образцам показано красной пунктирной линией.
Автор: Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. et al. Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells. Nat Commun 15, 3715 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Что же происходит с рибосомами в зомби-клетках? Ученые предлагают несколько гипотез. Одна из них — это антивирусная защита, когда клетка «съедает» собственные рибосомы, чтобы предотвратить синтез вирусных белков. Однако, более вероятным вариантом, по мнению авторов исследования, является «перепрограммирование» клетки вирусом. Пелагифаги могут использовать рибосомы, как источник «строительного материала» для создания новых вирусных геномов.

A геномы, собранные в метагеном (MAG), и B последовательности генов 16S рРНК, классифицированные как Pelagibacterales. Все данные получены из метагеномов PacBio Sequel II из фракции 0,2-3 мкм18. RPKM — Reads per Kilobase per Million Mapped reads. N = 1 биологический образец для каждой точки данных.
Автор: Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. et al. Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells. Nat Commun 15, 3715 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Важно подчеркнуть, что зомби-клетки были обнаружены не только во время цветения водорослей, но и в образцах воды, взятых из Атлантического, Тихого и Южного океанов. Это говорит о том, что зомби-клетки — не просто редкое явление, а важная часть жизненного цикла пелагифагов.

Данное исследование бросает новый свет на взаимоотношения SAR11 и пелагифагов, подчеркивая значимость вирусной инфекции в регуляции численности этих ключевых морских бактерий. Открытие зомби-клеток не только расширяет наши знания о вирусах и их роли в морских экосистемах, но и открывает новые пути для изучения сложных и непрерывных процессов взаимодействия между микроорганизмами и их вирусами, играющих ключевую роль в биогеохимических циклах нашей планеты.

Карта с указанием мест отбора проб во время различных экспедиций и долгосрочной экологической исследовательской станции «Гельголандские дороги». Относительная численность SAR11 (левая ось y), инфицированных фагом SAR11 (правая ось y) и зомбированных клеток (правая ось y) из Атлантического, Южного и Тихого океанов, в скобках указаны соответствующие экспедиции. Исходные данные показаны в виде отдельных точек, а области представляют собой сглаживание по Лоссу для Атлантического и Тихого океанов. Показана подгруппа (квадраты) данных из Южного океана без сглаживания. Полные данные по Южному океану представлены на рис. S4. N = 1 отобранная станция для каждой показанной точки данных.
Автор: Brüwer, J.D., Sidhu, C., Zhao, Y. et al. Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells. Nat Commun 15, 3715 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com
Почему зомби-клетки были обнаружены именно во время цветения водорослей? Разве это не противоречит гипотезе о том, что SAR11 — медленные и скрытные бактерии?

Цветение водорослей — это период интенсивного роста и размножения SAR11. Повышенная численность бактерий создает благоприятные условия для распространения вирусов. Вирусная инфекция в этот период приводит к «взрыву» численности пелагифагов, что и приводит к появлению большого количества зомби-клеток. То, что SAR11 были обнаружены в большом количестве во время цветения водорослей, не противоречит гипотезе о их медленном росте. Это скорее указывает на то, что они способны быстро размножаться, когда условия становятся благоприятными.

Как «перепрограммирование» клетки вирусом может быть более эффективным, чем «съедание» рибосом как защита?

С точки зрения вируса, «перепрограммирование» клетки более выгодно. Вирус получает доступ к ресурсам клетки, включая рибосомы, чтобы синтезировать новые вирусные частицы. «Съедание» рибосом, как защитный механизм, лишает клетку способности синтезировать белки, в том числе и вирусные. Это делает клетку непригодной для вирусного размножения. С точки зрения эволюции, вирусы, способные «перепрограммировать» клетку, имеют большее преимущество, потому что могут использовать ее ресурсы для своего размножения.

Каким образом обнаружение зомби-клеток может повлиять на наше понимание биогеохимических циклов в океане?

Зомби-клетки представляют собой новый тип клеток, который может влиять на биогеохимические циклы в океане несколькими способами. Во-первых, они могут изменять количество и тип органического вещества, поступающего в океан. Зомби-клетки не способны к синтезу органических веществ, но могут разлагаться, высвобождая органические молекулы в окружающую среду. Это может влиять на пищевые цепи в океане и на глобальные циклы углерода и азота. Во-вторых, зомби-клетки могут влиять на состав и разнообразие микроорганизмов в океане. Вирусная инфекция и появление зомби-клеток могут приводить к изменению соотношения различных групп бактерий, что в свою очередь влияет на функционирование океанских экосистем.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор монитора сердечного ритма IGPSport HR70

Спортсмены в любом виде спорта часто используют мониторинг сердечного ритма. По показателям пульса можно контролировать интенсивность тренировки и время на восстановления. Получать стабильные и...

Для чего на футбольном поле перед штрафной нужна разметка в виде полукруга: мифы и реальность

Разметка футбольного поля абсолютно ясна и понятна каждому. Ни у кого не вызывает вопросов назначение боковых и лицевых линий, разметки с центральным кругом, линий штрафной и вратарской площадей и...

6 ошибок при использовании SPF крема

Забота о коже — это искусство, в котором каждый шаг имеет значение. Солнцезащитный крем с SPF не просто щит от ультрафиолета, это ваш лучший союзник в борьбе за молодость и здоровье...

5 ошибок при подключении индукционнй плиты

При подключении индукционной плиты легко допустить ошибки, которые не только снижают эффективность её работы, но и могут представлять угрозу вашей безопасности. Чтобы избежать нежелательных...

Квантовая физика в действии: запутанные фотоны «увидели» вращение Земли

В мире науки всегда найдется место для элегантных экспериментов, которые не просто подтверждают известные истины, но и открывают новые горизонты познания. Недавно группа физиков из Венского...

Ресторан Тундра в Мурманске. Что попробовать?

Мурманск стал одним из популярных направлений для туризма. Достопримечательностей в городе не так много, на изучение города вам хватит одного дня, поэтому зачастую туристы приезжают в Териберку,...