'Зомби-клетки' в море: Вирусы контролируют самые распространенные морские бактерии
Морские микробы контролируют потоки вещества и энергии, необходимые для жизни в океанах. Среди них бактериальная группа SAR11 составляет около трети всех бактерий в поверхностных водах океана.
Исследование ученых из Института морской микробиологии Макса Планка (Бремен, Германия) показывает, что в некоторые периоды вирусами заражено почти 20% клеток SAR11, что значительно сокращает их общую численность. Вирусы также могут превращать эти некогда процветающие бактерии в «зомби» — явление, впервые наблюдаемое и широко распространенное в океанах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Воды океана вокруг немецкого острова Гельголанд — идеальное место для изучения весеннего цветения водорослей, на котором с 2009 года сосредоточено внимание исследователей института.
В предыдущей работе ученые заметили, что группа бактерий SAR11 особенно быстро растет во время этих цветений. Однако, несмотря на высокие темпы роста, численность SAR11 сократилась примерно на 90% за пять дней. Это указывало на быстрое уничтожение клеток хищниками и/или вирусными инфекциями. Теперь исследователи выяснили, что именно стоит за этим феноменом.
Поиск фагов, заражающих SAR11
«Мы хотели выяснить, вызвано ли малое количество SAR11 фагами, то есть вирусами, специфически заражающими бактерии», — объясняет Ян Брювер, проводивший исследование в рамках докторской диссертации. «Ответить на этот, казалось бы, простой вопрос было методически очень сложно».
Фаги заражают бактерии, вводя в них свой генетический материал. Там он реплицируется и использует бактериальные рибосомы для производства необходимых белков. Исследователи из Бремена использовали технологию, позволившую им «отслеживать» генетический материал фага внутри клетки.
«Мы можем окрасить специфические гены фага и затем увидеть их под микроскопом. Поскольку мы также можем окрасить генетический материал SAR11, мы можем одновременно обнаруживать зараженные фагом клетки SAR11», — объясняет Брювер.
Несмотря на кажущуюся простоту, низкая яркость и малый размер генов фага затрудняли их обнаружение. Тем не менее, были успешно проанализированы тысячи изображений с микроскопа, принеся захватывающие новости.
«Мы увидели, что бактерии SAR11 находятся под массированной атакой фагов, — говорит Брювер. — В периоды быстрого роста, например, связанные с весенним цветением водорослей, было заражено почти 20% клеток, что объясняет низкую численность клеток. Таким образом, фаги — это недостающее звено, объясняющее эту загадку».
Клетки-зомби: Глобальный феномен
К удивлению ученых, изображения показали еще больше. «Мы обнаружили, что в некоторых зараженных фагом клетках SAR11 больше не было рибосом. Вероятно, эти клетки находятся в переходном состоянии между жизнью и смертью, поэтому мы назвали их "зомби"-клетками», — объясняет Брювер.
Клетки-зомби представляют собой новое явление, наблюдаемое не только в чистых культурах SAR11, но и в образцах, собранных у Гельголанда. Более того, анализ образцов из Атлантического, Южного и Тихого океанов показал присутствие клеток-зомби, что указывает на всемирное распространение этого феномена.
«В нашем исследовании клетки-зомби составляют до 10% всех клеток в море. Глобальное распространение клеток-зомби расширяет наше понимание цикла вирусной инфекции», — подчеркивает Брювер. «Мы предполагаем, что в клетках-зомби нуклеиновые кислоты, содержащиеся в рибосомах, расщепляются и перерабатываются для создания новой ДНК фага».
Брювер и его коллеги предполагают, что превращаться в зомби могут не только бактерии SAR11, но и другие бактерии. Поэтому они хотят продолжить исследование распространения клеток-зомби и их роли в цикле вирусной инфекции.
«Это новое открытие доказывает, что популяция SAR11, несмотря на столь быстрое деление, находится под массовым контролем и регулированием со стороны фагов», — говорит Брювер.
«SAR11 очень важны для глобальных биогеохимических циклов, включая углеродный цикл, поэтому их роль в океане необходимо переопределить. Наша работа подчеркивает роль фагов в морской экосистеме и важность микробных взаимодействий в океане».