Морские вирусы захватывают бактериальные гены, чтобы разрушать и использовать энергосистемы

Морские вирусы применяют сложный маневр по принципу "троянского коня", позволяющий им разрушать энергетические системы океанических бактерий и использовать продукты распада для собственной репликации. Это открытие сделано в исследовании, проведенном на биологическом факультете Техниона и опубликованном в Nature.

Статья — результат уникального сотрудничества трех профессоров факультета, профессора Дебби Линделл, профессора Одеда Бея и профессора Одеда Клейфельда, и трех молодых исследователей — доктора Омера Наделя, доктора Равада Ханны и доктора Андрея Розенберга.

Роль цианобактерий и вирусные атаки

Крошечные клетки цианобактерий, обитающие в океанах, играют ключевую роль в глобальной экосистеме, осуществляя фотосинтез и производя органический углерод, который служит основой океанической пищевой сети. В этом процессе они вносят значительный вклад в производство кислорода и поглощение углекислого газа из атмосферы, влияя на глобальный углеродный цикл.

На эти важнейшие бактерии часто нападают вирусы, называемые цианофагами, которые специализируются на заражении и уничтожении морских цианобактерий.

Захват и использование вирусных генов

В ходе эволюции эти вирусы захватывают гены у цианобактерий, которых заражали ранее, и интегрируют их в собственный геном. Исследователи сосредоточились на гене под названием nblA, который активируется в цианобактериях в условиях стресса, например, при нехватке питательных веществ.

В таких ситуациях этот ген разрушает фотосинтетические системы сбора энергии цианобактерий, чтобы высвободить жизненно важные для выживания аминокислоты. Исследователи из Техниона впервые показали, что этот процесс дает вирусам значительное преимущество.

У цианофагов эволюционировал уникальный механизм, при котором заражение цианобактерии запускает тот же ген в вирусе — nblA — для разрушения систем сбора энергии, но на этот раз во вред бактерии. Высвобождаемые при этом распаде аминокислоты используются враждебным вирусом для быстрой самовоспроизводимости.

Таким образом, вирус превращает энергосистему хозяина-цианобактерии в ресурсы для расширения собственной популяции. Это представляет собой сложный эволюционный ход, при котором вирус использует механизм выживания бактерии в своих интересах, эксплуатируя ресурсы хозяина и в конечном итоге уничтожая его изнутри.

Методы исследования и глобальные последствия

Результаты исследования стали возможны благодаря сотрудничеству трех исследовательских групп, каждая из которых специализируется на разных дисциплинах биологии, и комбинации передовых технологий: точных генетических манипуляций в цианофагах, позволяющих сравнивать вирусы с геном и без него; передовой протеомики, позволяющей наблюдать в реальном времени за всеми белками (как бактериальными, так и вирусными); и экологической метагеномики, дающей глобальное представление о распространенности явления в морских системах по всему миру.

Вместе эти подходы позволили получить всестороннее понимание взаимодействий вируса и бактерии в морской среде на системном уровне.

По словам исследователей, этот механизм сокращает примерно на 5% количество фотосинтетической энергии, производимой океаническими цианобактериями, — что является значительным снижением в глобальном масштабе, поскольку эти цианобактерии управляют ключевыми биогеохимическими циклами на Земле и ответственны за большую долю производства кислорода и органического углерода на планете.

Такое изменение может повлиять на глобальные циклы углерода и кислорода, а также на экологический баланс — от микроскопических организмов до глобального климата.