Генетическая «гонка вооружений» между бактериями и вирусами

В океанах обитают микроскопические бактерии, которые производят значительную часть кислорода Земли, поглощая парниковый газ — углекислый газ. Однако в морях также присутствуют быстро мутирующие вирусы, атакующие морские бактерии в многовековой эволюционной «гонке вооружений».

Исследователь из Университета штата Мичиган изучит эту древнюю динамику в контексте экологических изменений и изменения климата, а также ключевую роль водных бактерий в поддержании биологического баланса Земли.

«Несмотря на то, что (вирусы) важны для регулирования этих (бактериальных) популяций, мы обнаруживаем, что происходит много быстрой эволюции», — заявил Джей Леннон, доцент кафедры микробиологии и молекулярной генетики. В лабораторных условиях организмы, известные как цианобактерии, могут развить устойчивость к вирусам всего за несколько недель, в то время как вирусы аналогичным образом мутируют, чтобы найти новые способы заражения.

Цианобактерии играют жизненно важную роль в связывании азота и фосфора в океане, в процессе чего они удаляют углекислый газ из воздуха и производят кислород. Понимание того, как они эволюционируют для сопротивления вирусам, может раскрыть информацию, критически важную для экологических и климатических исследований.

Леннон будет проводить свои исследования, используя грант Национального научного фонда в размере 199 000 долларов США, включая средства Закона о восстановлении и реинвестировании Америки. Он будет работать с микробиологом Стивеном Вильгельмом из Университета Теннесси и биохимиком Натаном ВерБеркмосом из Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Одним из наиболее распространенных механизмов устойчивости к вирусам является эволюционное изменение или потеря молекул рецепторов на поверхности клетки — структур, через которые вирусы проникают в своих хозяев. Исследователи будут изучать такие изменения в природных популяциях цианобактерий. Леннон сосредоточится на создании устойчивых к вирусам бактериальных клеточных линий и экспериментах по конкуренции видов, как только ключевые рецепторы будут идентифицированы, в своей лаборатории на Биологической станции У.К. Келлогга.

Морские вирусы стали предметом интереса только с конца 1980-х годов, и мало что известно о том, как функционируют эти паразито-хозяинные отношения. Всего один миллилитр морской воды может содержать до 10 миллионов вирусов, некоторые из которых смертельны для одних цианобактериальных хозяев, но не для других. Вирусы также могут оказывать существенное влияние на глобальные экологические циклы, убивая уязвимые цианобактерии и изменяя характер морских бактериальных популяций посредством естественного отбора.

Предыдущие исследования эволюционного биолога MSU Ричарда Ленски и других показали, что естественный отбор на основе вирусов может негативно влиять на способность клеточных организмов усваивать питательные вещества — то есть существует компромисс в эволюционной приспособленности бактерий.

Цианобактерии иногда называют сине-зелеными водорослями, но на самом деле это бактерии, более близкие к таким организмам, как E. coli, чем к зеленым водорослям. Древние формы жизни, обнаруженные на окаменелостях возрастом в миллиарды лет, цианобактерии могут быть ответственны за образование многих современных месторождений нефти и железной руды, и они остаются одной из наиболее распространенных форм бактерий на Земле.

Вспышки численности цианобактерий в некоторых пресноводных озерах в последние жаркие сезоны приводили к выбросу токсинов, убивающих водоплавающих птиц и вынуждавших закрывать водоемы для отдыха. Такие «цветения» не типичны для океанов, но из-за их важности в глобальном круговороте питательных веществ, связывании углерода и производстве кислорода цианобактерии по-прежнему считаются ключевыми для глобальной окружающей среды.