Взаимодействия мельчайших обитателей Земли имеют глобальное эффект

Новое исследование раскрывает взаимодействия между бактериями и вирусами, которые на них охотятся, в бескислородных зонах (oxygen minimum zones, OMZs) — участках океана, лишённых кислорода, которые встречаются по всему миру. Понимание таких микробных сообществ в их естественной среде — важный шаг к пониманию глобальных процессов, включая климат.

Международное сотрудничество Мэтью Салливана из Университета Аризоны и Стивена Холлама из Университета Британской Колумбии помогает распутать сложную сеть взаимодействий между вирусами, бактериями и их средой.

«Бактерии — движущая сила циклов питательных веществ и энергии, которые поддерживают Землю», — сказал Салливан. «По мере изменения климата меняются и среды, в которых живут эти бактерии, и они, в свою очередь, влияют на свои среды. Вирусы также участвуют в этом, опосредуя микробные процессы, но как и в какой степени? Это вопросы, на которые мы пытаемся ответить».

Последнюю главу в понимании этой сложной экосистемы возглавил Саймон Ру, научный сотрудник в лаборатории Салливана. В исследовании, опубликованном в новом некоммерческом журнале открытого доступа eLife, Ру сосредоточился на вирусах и микробах, которых они заражают, в северо-восточной части Тихого океана, в обширных зонах, обеднённых кислородом (OMZs).

Салливан объяснил, что по мере усиления стратификации водных слоёв OMZs расширяются и усиливаются из-за микробной активности. Это приводит к потере фиксированного азота, от которого зависят фитопланктон; накоплению токсичного сероводорода (H₂S); и выработке парниковых газов.

Исследование в eLife было сосредоточено на сероокисляющей бактерии SUP05, доминирующей в OMZs. Используя передовые технологии секвенирования генома, были получены геномы 127 отдельных клеток, а затем с помощью новых вычислительных подходов в них искали ДНК вирусов.

Вирусы, поражающие бактерии (бактериофаги), контролируют процессы глобальной важности: определяют, сколько кислорода переходит из океанов в атмосферу в обмен на углекислый газ (CO₂), влияют на климатические модели и изменяют сообщества микроорганизмов.

«Последние пару лет ознаменовались впечатляющим развитием метода геномики единичных клеток, — сказал Ру. — Изначально использовавшийся для секвенирования генома организмов без их культивирования в лаборатории, он также чрезвычайно интересен с точки зрения вирусологии, чтобы чётко идентифицировать и напрямую связывать вирус с хозяином».

Из этих 127 геномов было идентифицировано 69 новых вирусов SUP05, представляющих пять ранее неизвестных науке вирусных групп. Эти новые геномы затем использовали для анализа 186 доступных наборов данных о последовательностях микробов и вирусов из окружающей среды. Оказалось, что эти новые вирусы устойчивы во времени и в основном не встречаются за пределами места исследования. То есть, эти вирусы и их хозяева процветают в лишённых кислорода частях океана, где мало что ещё может выжить.

Исследование показало не только тип вирусов, заражающих эти микробы, но и особенности их взаимодействия:

1. Многие клетки SUP05 в природе часто заражены вирусами — примерно одна из трёх.
2. Эти вирусы SUP05 кодируют метаболические гены, которые влияют на самые функции, которые бактерии SUP05 вносят в экосистему OMZ — циклы энергии и питательных веществ.

«Тот факт, что вирусы могут напрямую манипулировать серным циклом SUP05, который управляет сопряжённой с ним фиксацией углерода, критически важен для разработки прогностических моделей микробных процессов в тёмном океане», — сказал Салливан.

Работа, опубликованная в eLife, беспрецедентна по своему размаху и представляет собой одни из первых исследований популяционной вирусной экологии в природных системах. Разработка инструментов для такой экологии — центральная тема исследований Салливана, недавно приведшая к созданию метода вирусного мечения, опубликованного в Nature.