Oceany całego świata obfitują w wirusy, naukowcy dopiero zaczynają poznawać ich wpływ, poczynając od powierzchni a na dnie kończąc, na życie i kompozycje chemiczną tych wód.

Szacuje się, że na ziemi jest 1031 wirusów. Można powiedzieć, że wirusów na ziemi jest setki milionów razy więcej niż gwiazd we wszechświecie. Większość wirusów atakuje mikroby, takie jak bakterie, archeony i mikroeukarionty, które odgrywają ważną rolę w wiązaniu i przepływie takich pierwiastków jak węgiel, azot i fosfor. Te dwa fakty (wielka liczba wirusów i ich bliski związek z życiem mikrobiologicznym) wskazują, że wirusy odgrywają ważną rolę w biosferze.

Methanopyrus kandleri

Archeon – Methanopyrus kandleri

Autor: PM Poon

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 3.0

 

Ze wszystkich ziemski biomów, oceany stały się głównym polem odkryć interakcji wirusów z bakteryjnymi gospodarzami. 1,2,3 Wirusy oceaniczne były inspiracją przedstawienia hipotezy nazwanej „wirusowym przesuwaniem”, według której zabicie bakteryjnych gospodarzy przez wirusa, zmienia kierunek przepływu węgla i składników odżywczych. Zamiast trafiać do większych organizmów wracają do innych mikroorganizmów.4,5 Co więcej, naukowcy analizujący oceaniczne życie odkryli wiele nowych wirusów, nie zachowuje się w powszechnie przyjęty sposób.

Wśród odkryć znalazły się też “olbrzymie” morskie wirusy, których przekrój kapsydu przekracza 500nm, są rząd wielkości większe niż typowe wirusy. Olbrzymie wirusy atakują komórkowych żywicieli, w tym protisty Cafeteria i jednokomórkowe zielone algi. 6,7 Ponadto takie wirusy mają genom większy niż niemal wszystkie wcześniej zidentyfikowane typy, czasem nawet 1 milion par zasad więcej. Naukowcom udało się znaleźć (w oceanicznych i nieoceanicznych środowiskach) wirusy, które mogą zaatakować olbrzymie wirusy, nazwa się je wirofagami, 8 co jest biologicznych przykładem XVII wiecznego aforyzmu Jonathana Swifta “a flea/ Hath smaller fleas that on him prey;/ And these have smaller fleas to bite ’em;/ And so proceed ad infinitum.”

Cafeteria roenbergensis

Cafeteria roenbergensis

Autor: Dennis Barthel

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 3.0

 

Widać jak dużo musimy się jeszcze dowiedzieć o bogatym i dynamicznym świecie oceanicznych mikrobów i wirusów. Dla przykładu, litr wody morskiej, zebranej przy powierzchni zazwyczaj zawiera co najmniej 10 miliardów mikrobów i 100 miliardów wirusów (z czego większość jest nienazwana i nieopisana). Na szczęście pojawia się coraz więcej narzędzi pozwalających na przyspieszenie badań bakteriofagów i innych wirusów, których jeszcze nie da się utrzymać w laboratorium. Badane wirusów w ich naturalnym środowisku stało się popularne z nadejściem metagenomiki wirusów, zapoczątkowanej przez Foresta Rohwera i jego zespól z San Diego State University w Kalifornii.9

Struktura bakteriofaga

Struktura bakteriofaga

Autor: Adenosine (originał); Pbroks13 (zmieniny)

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 2.5

 

Nowe, przyżyciowe metody pozwalają na wiele więcej niż opis różnorodności wirusów. Grupa Matthewa Sullivana z University of Arizona opracowała i wykorzystała metodę “viral tagging”, która pozwala na charakterystykę genotypu wirusa w środowisku, w którym atakuje wybranego nosiciela, nawet, jeśli te wirusy nie mogą być wyizolowane w kulturach. 10 Te i inne techniki (i coraz częstsze interdyscyplinarne badania nad środowiskowymi wirusami) przybliżają naukowców do wyjaśnienia jak wirusy kształtują ekologię oceaniczną.

Nie takie wybredne

Gigantyczny wirus

GIGANTYCZY WIRUS: Komputerowy model wirusa chlorella, który infekuje jednokomórkowe algi.

© SCIEPRO/SCIENCE SOURCE

 

Naukowcy prze wiele lat uważali, że wirusy są ściśle zależne od jednego typu żywiciela, czyli mogą infekować tylko niewielki, taksonomiczny wycinek mikrobów tylko w określonym czasie i w określonym środowisku. Ostatnie badania wskazują, że morskie wirusy wcale nie muszą być tak wybredne i mogą zakażać wiele gatunków mikrobów, a nawet mniej spokrewnione organizmy. Dla przykładu, badania z 2003 roku wykazały, że konkretny genotyp cyjanofagów może infekować nie tylko różne szczepy tego samego gatunku cyjanobakterii, ale również różne ich gatunki. 11W 2011 roku analiza ponad 20 letnich badan wykazała, że w przyrodzie mamy różnorodność wirusów, od specjalistów po „wszystkożerców”. Jak widać, wirusy wcale nie są związane z jednym żywicielem, ani jednym gatunkiem, być może nawet nie z jednym rodzajem!

Cyjanofagi

Cyjanofagi:  Prochlorococcus Myoviruses

Autor: Public Library of Science

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – ogólny 2.5

 

Teoretycznie wirusy powinny ograniczać oceaniczną obfitość rodów atakowanych bakterii. Ilościowe szacowania śmiertelności powodowanej atakami wirusów wykazują, że wirusy (w niektórych przypadkach) są ważne jak protisty, czy zooplankton, dla wybiórczego zabijania mikrobów. Takie oddziaływanie, w konsekwencji, prowadzi do dynamicznych wahań w populacjach wirusów i mikroorganizmów, w momencie zabicia wszystkich podatnych bakterii. Nowe podtypy wirusów powstają często i szybko, a poprzednie, rzadkie podtypy mogą szybko zwiększyć swoją populację.

Plankton

Plankton

Autor: Ten rysunek został opublikowany w pierwszym (1876–1899), drugim (1904–1926) lub  3rd (1923–1937) wydaniu. Nordisk familjebok. Prawa autorskie wygasły

Źródło: wikipedia

 

Jednak bezpośrednie dowody na obustronne zmiany liczebności wirus-bakteria w środowisku oceanicznym są rzadkie. Być może nawet wirusy wcale nie grają ważnej roli w kontroli populacji bakterii. Lub, w niektórych przypadkach, morskie wirusy, które zakażają mikroby nie zostały uwzględniane we wcześniejszych badaniach. Dla przykładu, do najbardziej popularnej morskiej linii bakteryjnej SAR11 (szacuje się, że stanowi jedną trzecią wszystkich prokariotycznych komórek na powierzchni wody) nie odnaleziono żadnego infekującego ją wirusa. To prowadzi do wysunięcia wniosków, że obfitość SAR11 jest częściowo wynikiem braku wirusowego drapieżnika. Jednak całkiem niedawno naukowcy odkryli grupę bezogonkowych podowirusów, które mogą zabić SAR11. Te wirusy, (co ważne wcześniej nie znane nauce) teraz są uważane, za najbardziej powszechny typ wirusa oceanicznego i może być ważną przyczyną zmian w populacjach SAR11. 13

 

Gdzie się podziały składniki odżywcze?

T Graves
© THOM GRAVES

Wirusowe niepokoje: Oceaniczne wirusy wpływają na morski ekosystem na kilka sposobów. Pierwszy i najważniejszy to zabijanie mikrobów mogące być równie ważne w redukcji populacji wybranych linii jak to robią protisty i zooplankton. Infekujący wirus może zmienić metabolizm komórki zwiększając intensywność fotosyntezy i szybkość wiązania węgla. Gdy dochodzi do lizy komórek uwalniane są nie tylko nowe wirusy, ale również węgiel i inne składniki organiczne które były uwięzione wewnątrz komórki. To wszystko staje się dostępne dla okolicznych mikroorganizmów, co jest potencjalnie pożytecznym procesem zwanym wirusowym pobudzaniem (viral priming). Na koniec, w odpowiednich warunkach wirus może stać się długoterminowym rezydentem komórki żywiciela prowadząc do lizogenii.

 

Śmierć komórki nosiciela i wydanie wirusowego potomstwa jest tylko jednym rozdziałem opowieści o wpływie wirusów na oceaniczny ekosystem. Liza mikrobów uwalnia węgiel i inne organiczne składniki pokarmowe, uprzednio związane w komórce, wprost do środowiska. Morskie mikroby mogą przyswajać ten materiał, co prowadzi do paradoksalnych konsekwencji infekcji wirusowych: śmierć nosiciela pośrednio może być korzystna dla innych mikroorganizmów.

Ta hipoteza nazywana wirusowym pobudzaniem (viral priming), została udokumentowana w modelu eksperymentalnym wykorzystującym mikroorganizmy występujące blisko powierzchni oceanu. Jednym z przykładów była wirusowa liza zainfekowanej bakterii, której organiczne związki żelaza szybko zostały pobrane przez inne morskie bakterie, jak również przez okrzemki. 14 Takie przyswajanie poprawia przyrost organizmów nie będących celem wirusa. W drugim przykładzie, po usunięciu z eksperymentu wirusów infekujących bakterie i prowadzących do lizy organizmów cudzożywnych, spowolniło wzrost i rozmnażanie Synechococcusa prawdopodobnie przez brak dostępnych składników odżywczych dostarczanych przez działalność wirusów. 15 Widać, że to co jest złe dla jednej komórki może być dobre dla innych. Jednak wciąż nie wiemy co dzieje się z materią organiczną uwalnianą przez wirusy w prawdziwym oceanie. Czy jest przyswajana, pogrzebana, czy może przekazana w inny sposób? To co dzieje się z materia organiczną na dużych głębokościach jest ważne, gdyż domyka globalny cykl obiegu węgla. Wolny węgiel w głębinach oceanicznych jest bardzo stary (4 000 – 6 000 lat) i wysoce opornie przyswajalny przez mikroorganizmy, co może wskazywać, że istnieje inne źródło węgla. Wirusowa liza głębokooceanicznych mikrobów może być takim źródłem. 16

Synechococcus

Synechococcus

Autor: Masur

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony w domenie publicznej

Nim dojdzie do lizy, infekcja powoduje zmianę metabolizmu zakażonej komórki. Zmiany do jakich prowadzi wirus mogą być tak duże, że pod względem biochemii i metabolizmu komórka jest całkiem różna od zdrowej. Dla przykładu zainfekowana fagiem cyjanbakteria zwiększa fotosyntezę, co zmienia szybkość wiązania węgla pobieranego ze środowiska. Zakażone bakterie również mogą zmienić dystrybucję innych ważnych pierwiastków, takich jak azot i fosfor co czyni je unikalnymi biochemicznie.

Wirusy potrafią wytworzyć stan ciągłej infekcji bakteryjnego żywiciela (podobny do infekcji wirusowych dużych komórek eukariotycznych jak w przypadku infekcji retrowirusowych) poprzez włączenie swojego materiału genetycznego do genomu żywiciela tworząc lizogen. Ale los zakażonych komórek może zależeć od zasobności środowiska w węgiel i substancje odżywcze. Niedawne badania wykazały, że morskie fagi chętniej prowadziły do lizogenii niż lizy w środowisku ubogim w pokarm. 17 Wynika z tego, że wirusy chcą dokonać lizy, ale nie mogą. A może wyewoluowały w ten sposób, by zabijać żywiciela tylko wtedy, gdy w środowisku występują zdrowe osobniki, które można zakazić, o czym informuje je stan zakażanego osobnika. Lizogenia jest trudniejsza do wykrycia niż liza, wiele wirusów jest dobrze ukrytych w żywicielu. W przyszłości badań interakcji wirus-żywiciel trzeba będzie się skupić nie tylko na wykazaniu, kto infekuje kogo, ale co dzieje się potem.

 

Wirusy, w teorii

o w

Przestrzeń nieodkryta: Litr morskie wody z okolic wysp Galapagos zawiera co najmniej 10 miliardów mikrobów i 100 miliardów wirusów – większość z nic zostaje niezidentyfikowanych i nieopisanych. © ALEXIS ROSENFELD/SCIENCE SOURCE

 

Biorąc pod uwagę trudności spowodowane złożonym środowiskiem, z ilościowym określeniem roli wirusów, naukowcy użyli matematycznych modeli pozwalających na poznanie wpływu jakie wirusy mają na żywiciela i działań na cały ocean. Wiele matematycznych modeli stosowanych przez biologów pozwala na dość dokładne przewidywanie i zrozumienie złożonych procesów (ale również upraszczają założenia). Co takie modele zakładają, co pomogły odkryć i jak pozwalają zgłębić wiedze o interakcjach wirus-żywiciel? Odpowiedź na to pytanie zostanie zilustrowana przykładem. Zostaną przedstawione modele, które badają zmiany w liczności populacji wirusów i żywicieli w społeczności.

Rozważmy pytanie: jak wielkość populacji konkretnej bakteryjnej linii zależy od oddziaływania z wybranym zestawem wirusów. Modele matematyczne rozdzielają interakcje pomiędzy żywicielami i środowiskiem, żywicielami i wirusami, wirusami i środowiskiem. Dla przykładu, infekcja morskiej cyjanobakterii przez cyajnofaga może prowadzić do lizy w 12 godzin. Wynikiem tego jest śmierć żywiciela i uwolnienie do środowiska około 50 potomnych wirusów oraz uwolnienie materii organicznej komórki, jaki i materii w postaci cząsteczek wirusowych i pozostałości komórki. Taki model może pomijać złożona wewnątrzkomórkową dynamikę i skupić się tylko na wyniku, uproszczając cały proces reakcji do „1 Żywiciel+ 1 Wirus = 50 Wirusów”.

Sztuką przy planowaniu modeli, jest podjęcie decyzji kiedy i gdzie szczegóły są ważne. Wybór szczegółów oczywiście zależy od postawionego pytania. Próby charakteryzowania wewnątrzkomórkowej dynamiki zakażonego mikroba wymaga wzięcia pod uwagę interakcji gen-gen i w szczególności interakcji genowych produktów wirusa z fizjologią żywiciela. W ten sam sposób, próby charakterystyki pozakomórkowej dynamiki wymaga zrozumienie częstości z jaka wirus i żywiciel oddziałowują na siebie w złożonym środowisku.

Ciekawa nowością na polu modelowania zależności wirus-żywiciel jest badanie dynamiki ewolucyjnej. W przeciwieństwie do modeli chemicznych, składniki (wirus i żywiciel) ewoluują. Koewolucyjne modele są technicznym wyzwaniem, gdyż genotypy w społeczności (i w modelu) muszą się wciąż zmieniać. Właśnie takie modele zostały użyte do przedstawienie kluczowych hipotez dotyczących długoterminowej dynamiki różnorodności populacji mikrobów i wirusów. Model ewolucyjny nazwany zabij zwycięzcę został użyty, by zaproponować, że wirusowe i bakteryjne szczepy mogą zmieniać się bardzo gwałtownie, nawet, jeśli całość populacji i całość różnorodności pozostaje na względnie stałym poziomie. 18 Podobnie, koewolucyjne modele wskazują, że długoterminowe współistnienie różnolitych społeczności wirusów i bakterii jest czymś oczywistym, tak długo, jak zachowany jest kompromis pomiędzy infekcjami i innymi zachowaniami, takimi jak wzrost, czy odżywianie.19

Przykład koewolucji

Przykład koewolucji – trzmiele i kwiaty przez nie zapylane

Autor: Dmcdevit

Źródło: wikipedia

Ten plik udostępniony jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 3.0

Wyzwaniem jest pogodzenie przewidywań modelu z biologiczną rzeczywistością. Grupa Debbie Lindell z Technion–Israel Institute of Technology niedawno wykryła nowy kompromis, w którym żywiciel, dzięki ewolucji, jest wysoce odporny na konkretne infekcje wirusowe może być bardziej podatny na inne typy wirusów z którymi nie koewoluował. 20 Takie odkrycia zmuszają do przyszłego rozważenia oddziaływań wirus-żywiciel w prawdziwym środowisku.

 

Dziwny jest ten świat mikroorganizmów i wirusów

Potencjalna rola wirusów w morskich cyklach biochemicznych jest dyskutowana blisko 20 lat, jednak policzalny, regionalny i globalny wpływ wirusów na środowisko jest nierozstrzygnięty. Na szczęście zainteresowanie rolą oceanicznych wirusów rośnie. Morski mikrobiolog Mya Breitbart z University of South Florida twierdzi, że nauka o środowiskowych wirusach wkracza w okres podejmowania wyzwań. Jest wiele dogmatów dotyczących oddziaływania wirus-żywiciel i są one często powtarzane, ale dopiero teraz dokładnie badane. Również jest wiele dogmatów, które badacze powinni udowodnić lub chociaż uściślić. Grupa stworzona w University of Tennessee’s National Institute for Mathematical and Biological Synthesis w celu badania dynamiki oceanicznych wirusów jest przykładem współpracy miedzy naukowcami modelującymi i eksperymentującymi, których celem jest opisanie interakcji wirus-żywiciel i ich konsekwencji na globalną skalę. Taka grupa może ukierunkować przyszłe badania nad oceanicznymi wirusami. Takie badania powinny obejmować procesy biogeochemiczne będące efektami działania wirusów, dane uzyskane z badań biologii molekularnej i matematyczne modele ujęte razem.

Lepsza ilościowa ocena roli wirusów w ocenach będzie miała wpływ na zrozumienie dawnych i przyszłych zmian na całej planecie. Curtis Suttle z University of British Columbia oszacowała, że oceaniczne wirusy mogą obracać nawet 150 gigatonami węgla w ciągu roku (30 razy więcej węgla niż w planktonie morskim). Ten recykling węgla i innych substancji odżywczych wskazuje, że wirusy muszą być wliczane w modele globalnych zmian.

Modele opisujące globalne zmiany łączą w sobie procesy geofizyczne z biologią mikroorganizmów i wyższych organizmów w celu prognozowania zmian w bioróżnorodności i występowania składników pokarmowych.  Jednak najmniejsze i najliczniejsze żywe organizmy świata (wirusy) są bardzo rzadko (o ile w ogóle) włączane do takich modeli. Cytując raport Intergovernmental Panel on Climate Change “Całkowity wpływ obiegu węgla morskiej biologii (uwzględniając procesy takie jak obieg substancji odżywczych oraz zmian ekosystemu włączając role bakterii i wirusów) na temperaturę i CO2 nie jest dokładnie wyjaśniony. Kilka pozornie małych mechanizmów może wspólnie stać się znaczący.”.

Joshua S. Weitz jest profesorem nadzwyczajnym w School of Biology at the Georgia Institute of Technology w Atlanta

Steven W. Wilhelm jest profesorem w Department of Microbiology at the University of Tennessee-Knoxville.

Artykuł został napisany na podstawie F1000 Biology Reports, DOI:10.3410/B4-17 (open access).

Literatura

  1. C.A. Suttle, “Marine viruses – major players in the global ecosystem,” Nat Rev Microbiol, 5:801-12, 2007.
  2. C.P.D. Brussaard et al., “Global-scale processes with a nanoscale drive: the role of marine viruses,” ISME Journal, 2:575-78, 2008.
  3. M. Breitbart, “Marine viruses: truth or dare,” Annu Rev Mar Sci, 4:425-48, 2012.
  4. J.A. Fuhrman, “Marine viruses and their biogeochemical and ecological effects,” Nature, 399:541-48, 1999.
  5. S.W. Wilhelm, C.A. Suttle, “Viruses and nutrient cycles in the sea—viruses play critical roles in the structure and function of aquatic food webs,” Bioscience, 49:781-88, 1999.
  6. M.G. Fischer et al., “Giant virus with a remarkable complement of genes infects marine zooplankton,” PNAS, 107:19508-13, 2010.
  7. J.L. Van Etten, “Unusual life style of giant chlorella viruses,” Annu Rev Genet, 37:153-95, 2003.
  8. B. La Scola et al., “The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus,” Nature: 455:100-04, 2008.
  9. R.A. Edwards, F. Rohwer, “Viral metagenomics,” Nat Rev Microbiol, 3:504-10, 2005.
  10. L. Deng et al., “Contrasting life strategies of viruses that infect photo- and heterotrophic bacteria, as revealed by viral tagging,” mBio, 3:e00373, 2012.
  11. M.B. Sullivan et al., “Cyanophages infecting the oceanic cyanobacterium Prochlorococcus,”Nature, 424:1047-51, 2003.
  12. C.O. Flores et al., “Statistical structure of host-phage interactions,” PNAS, 108:E288-E297, 2011.
  13. Y. Zhao et al., “Abundant SAR11 viruses in the ocean,” Nature, 494:357-60, 2013.
  14. L. Poorvin et al., “Viral release of iron and its bioavailability to marine plankton,” Limnol Oceanogr, 49:1734-41, 2004.
  15. M.G. Weinbauer et al., “Synechococcus growth in the ocean may depend on the lysis of heterotrophic bacteria,” J Plankton Res, 33:1465-76, 2011.
  16. N. Jiao et al., “Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean,” Nat Rev Microbiol, 8:593-99, 2010.
  17. J.P. Payet, C.A. Suttle, “To kill or not to kill: the balance between lytic and lysogenic viral infection is driven by trophic status,” Limnol Oceanogr, 58:465-74, 2013.
  18. F. Rodriguez-Valera et al., “Explaining microbial population genomics through phage predation,” Nat Rev Microbiol, 7:828-36, 2009.
  19. J.S. Weitz et al., “Coevolutionary arms races between bacteria and bacteriophage,” PNAS, 102:9535-40, 2005.
  20. S. Avrani et al., “Genomic island variability facilitates Prochlorococcus-virus coexistence,”Nature, 474:604-08, 2011.

 

Artukuł jest tłumaczeniem, źródło:
http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36120/title/An-Ocean-of-Viruses/

 

Pobierz: PDF, mobi, epub