En fusion af mikrober:Undersøgelse viser lavt næringsstofforhold, der ændrer virusinfektion

Så meget ved vi:Når vira inficerer bakterier - en almindelig forekomst i oceaner, jordbund, selv menneskelige tarme - resulterer interaktionen i skabelsen af ​​helt nye organismer kaldet "viroceller." Men videnskabsmænd lærer stadig om, hvordan denne sammensmeltning af mikrober påvirker og påvirkes af deres omgivelser.

For fire år siden gjorde forskerne en overraskende laboratorieopdagelse om havbakterier, der var inficeret af to forskellige vira:Infektionerne resulterede i to meget forskellige viroceller, hvis funktioner udelukkende var styret af virale behov snarere end deres bakterielle oprindelse.

"Så de fungerer forskelligt, selvom det var den samme forældrecelle. Du fik den samme enhed til at blive to forskellige entiteter fra to forskellige vira," sagde Cristina Howard-Varona, en forsker i mikrobiologi ved Ohio State University og den første forfatter til undersøgelsen. "Dette er fascinerende, fordi virusinfektioner sker hele tiden."

Fundet blev gjort under eksperimentelle forhold, der anses for at være bedst til at observere et hidtil ukendt fænomen - som omfattede høje niveauer af næringsstoffet fosfat i vandet. Howard-Varona og kolleger har gentaget arbejdet i en ny undersøgelse under lavfosfatholdige forhold, der ligner den naturlige verden, hvor havets lommer er udsultet af næringsstoffer.

De fandt ud af, at disse forhold i den virkelige verden gjorde en enorm forskel i, hvordan virusinfektion påvirkede værtsbakterierne - så meget, at de to typer af inficerede celler er repræsenteret i papiret som et Venn-diagram for at vise de funktioner og egenskaber, de deler alene eller i kombination som følge af deres næringsfattige miljø.

Undersøgelsen blev offentliggjort for nylig i The ISME Journal .

Pointen med de nye fund handler ikke kun om, hvordan de to viroceller opfører sig individuelt i et område med lavt fosfatindhold i havet, men også om, hvor stor indflydelse miljøet har på den rutinemæssige hændelse, hvor vira inficerer bakterier.

"Når du kun opbruger ét næringsstof, har det en drastisk indvirkning - det ændrer billedet af infektion, selvom det er den samme celle og de samme vira som i den tidligere undersøgelse," sagde Howard-Varona.

"Så hvad ville der ske, hvis vi sultede det endnu mere, eller vi udtømmer et andet næringsstof? Dette fortæller os, at det bliver meget vigtigt at studere celler og viroceller under næringsforhold, der mere ligner det, de møder i naturen."

Forskningen har potentiale til at forbedre modellering i stor skala af mikrobielle systemer i havet, som til dato har en tendens til at mangle virocelle-komponenten, sagde Matthew Sullivan, co-senior forfatter af begge undersøgelser og professor i mikrobiologi ved Ohio State.

"Hvis vi skal forudsige, hvordan organismer bidrager til oceanernes geokemi, er vi nødt til at vide, hvordan cellepopulationer interagerer, hvordan de får næringsstoffer fra miljøet, og hvordan det ændrer sammensætningen af ​​organisk stof, der danner cellerne - og hvordan alt sammen bidrager til klimaet. forandring og på havenes reaktion på klimaændringer," sagde Sullivan, også professor i civil-, miljø- og geodætisk teknik og grundlægger af Ohio State's Center of Microbiome Science.

"Det samme gælder modellering af mikrober i jord, som heller ikke har et næringsrigt miljø, og hvor vi ved meget lidt om viroceller, og hvordan de bidrager til sundheden for rødder og afgrøder."

I den nye undersøgelse fandt forskerne ud af, at de to inficerende vira havde masser af kontrol over funktioner, der dominerede de to resulterende viroceller.

Vira, kaldet fager, blev udvalgt for deres meget forskellige kvaliteter:Den ene ligner meget genomisk værtsbakterien, så den fokuserede på at genbruge eksisterende ressourcer, og den anden, mindre ens fag, skulle arbejde hårdere for at generere ressourcer. I begge tilfælde er målet at få adgang til energi og maksimere at lave virale kopier og til sidst dræbe værten.

"Men disse forskelle blev indsnævret i miljøet med lavt fosfatindhold, så de er mindre vigtige - hvilket tyder på, at miljøet kan have en stærkere effekt end de inficerende vira på, hvordan viroceller opfører sig," sagde Howard-Varona.

Og så var der aktiviteter, der var fælles for begge viroceller som reaktion på sulten:aktivering af en celledækkende stressreaktion, opnåelse af energi fra metaboliserede fedtstoffer i stedet for kulhydrater og reduktion af mængden af ​​organisk materiale, de forbruger fra miljøet.

"Hver celle i verden har brug for fosfat til at lave DNA og energi, og uden det er der intet liv, ingen funktion, ingen metabolisme," sagde Howard-Varona. "Og det, vi har vist, er, at under disse forhold har viroceller fællestræk. De mærker næringsbegrænsningen og opfører sig mere ens, end de gjorde, da de voksede i et næringsrigt miljø.

"Miljøet er meget vigtigt for virusinfektioner - og så du kan forestille dig, at dette er sandt for alle miljøer."

Forskerne vil anvende meget af det, de har lært fra havmiljøet, til studier af jordviroceller.

Medforfattere inkluderer Azriel Krongauz, Natalie Solonenko, Ahmed Zayed og Subhadeep Paul fra Ohio State; co-first forfatter Morgan Lindback og co-senior forfatter Melissa Duhaime fra University of Michigan; Jane Fudyma og Malak Tfaily fra University of Arizona; William Andreopoulos og Tijana Glavina del Rio fra DOE; og Heather Olson, Young-Mo Kim, Jennifer Kyle og Joshua Adkins fra Pacific Northwest National Laboratory.

Flere oplysninger: Cristina Howard-Varona et al., Environment-specific virocell metabolic reprogramming, The ISME Journal (2024). DOI:10.1093/ismejo/wrae055

Journaloplysninger: ISME Journal

Leveret af Ohio State University