Устойчивые к фагам бактерии всё равно могут погружать углерод на дно океана
Морские бактерии играют ключевую роль в определении, будет ли углерод переработан у поверхности океана или транспортирован в глубинные воды. Однако многие из них существуют под постоянной угрозой заражения вирусами-бактериофагами и мутируют, чтобы противостоять этим инфекциям.
Возникающая эволюционная "гонка вооружений" между изменяющимися бактериями и вирусами ставит вопросы: какова цена устойчивости клетки к инфекциям и как это меняет функционирование экосистем?
Исследование механизмов устойчивости к фагам
В новом исследовании учёные изучили механизмы устойчивости к фагам и её влияние на экологические функции океанических бактерий. Команда обнаружила, что некоторые из изученных мутаций не мешают — и даже могут усиливать — способность бактерий выполнять свою работу по захвату и погружению углерода на дно океана. Это происходит благодаря тому, что мутации придают клеткам "липкие" свойства.
Исследование также выявило два типа мутаций: более стандартные поверхностные мутации, которые не позволяют фагам проникнуть в клетку вообще, и другой тип — метаболические мутации внутри бактерий. Последние изучены гораздо меньше и означают, что вирус может проникнуть в клетку, но не сможет успешно размножиться.
"Мы обнаружили, что и метаболические, и поверхностные мутации делали бактерии более липкими, но только у поверхностных мутантов эти изменения вызывали гораздо более лёгкое погружение клеток. Это было очень, очень очевидно", — сказала Марион Урвуа, соавтор исследования и постдокторант в области микробиологии в Университете штата Огайо.
Исследование было опубликовано в Nature Microbiology.
Экспериментальный подход
Исследование было сосредоточено на 13 фагоустойчивых мутантах, эволюционировавших из бактерий Cellulophaga baltica против двух типов фагов, представляющих экологически релевантные модельные системы.
После заражения бактерий этими фагами и выделения мутировавших устойчивых клеток исследователи провели эксперименты и создали компьютерные модели, чтобы увидеть, как ведут себя мутанты. Результаты показали, что классические поверхностные мутации, блокирующие проникновение фага, обеспечивали полную устойчивость к нескольким фагам, тогда как внутренние метаболические мутации давали специфическую устойчивость только к одному фагу за раз.
Команде удалось выяснить эффекты одной из двух наблюдаемых внутриклеточных изменений. Эта мутация нарушила процесс производства одной аминокислоты, которая помогает синтезировать несколько липидов — жирных молекул внутри клетки, которые запасают энергию, формируют мембраны и передают сигналы, среди других функций.
"Мутация повлияла на пул липидов, что предотвратило репликацию фага", — пояснила Урвуа. — "Наша рабочая теория заключается в том, что, поскольку фагу нужны эти липиды для сборки новых вирусных частиц, он не может собраться в конце цикла репликации, потому что отсутствует один из ключевых компонентов".
Экологические последствия и будущие исследования
Что касается экологических аспектов мутаций устойчивости к фагам, исследование показало, что мутации имеют свою цену для бактерий и, потенциально, для микробного сообщества.
"Мы показали, что для всех этих мутаций, независимо от того, затрагивают ли они поверхность клетки или её метаболизм, существует цена в виде скорости роста. Это означает, что клетки растут медленнее, и если вы влияете на скорость роста организма, вы неизбежно влияете на других членов сообщества", — сказала Урвуа.
Однако липкость и способность к погружению поверхностных мутантов выделились как ключевое открытие в контексте морского биологического насоса, который помогает погружать углерод в глубины моря.
Это открытие основывается на более ранней работе, которую возглавляла соавтор Кристина Ховард-Варона, научный сотрудник в области микробиологии в Университете штата Огайо. Та работа показала, что цианобактерии, осуществляющие фотосинтез в океане, при одновременном заражении фагами и стрессе от голодных микробов-хищников поблизости, могут поглощать больше углерода.
Ховард-Варона планирует продолжить изучение механизмов, лежащих в основе метаболических мутаций против фагов.
"Это действительно открывает ворота для желания исследовать больше внутриклеточных механизмов устойчивости, потому что они так мало изучены", — сказала она. — "Если мы добавим больше типов фагов, получим ли мы больше мутаций и больше типов механизмов, о которых мы не знаем? Это действительно лишь верхушка айсберга".
"Важно понимать, что происходит в океане, потому что это влияет на климат глобально. Для микроорганизмов нам нужно понимать их влияние на углерод, потому что они определяют, будет ли углерод погружаться или высвобождаться в атмосферу, и этот результат влияет на нашу жизнь", — заключила Урвуа.