Hvordan viralt mørkt stof kan hjælpe med at afbøde klimaændringer

Et dybt dyk ned i de 5.500 marine RNA-virusarter, som forskere for nylig har identificeret, har fundet ud af, at flere kan hjælpe med at drive kulstof absorberet fra atmosfæren til permanent opbevaring på havbunden.

Analysen tyder også på, at en lille del af disse nyligt identificerede arter havde "stjålet" gener fra organismer, de inficerede, hvilket hjalp forskere med at identificere deres formodede værter og funktioner i marine processer.

Ud over at kortlægge en kilde af grundlæggende økologiske data, fører forskningen til en bedre forståelse af den store rolle, disse små partikler spiller i havets økosystem.

"Resultaterne er vigtige for modeludvikling og forudsigelse af, hvad der sker med kulstof i den rigtige retning og i den korrekte størrelse," sagde Ahmed Zayed, en forsker i mikrobiologi ved Ohio State University og medførsteforfatter af undersøgelsen.

Spørgsmålet om størrelsen er en alvorlig overvejelse, når man tager havets vidde i betragtning.

Hovedforfatter Matthew Sullivan, professor i mikrobiologi ved Ohio State, forestiller sig at identificere vira, der, når de udvikles i massiv skala, kunne fungere som kontrollerbare "knapper" på en biologisk pumpe, der påvirker, hvordan kulstof i havet opbevares.

"Efterhånden som mennesker tilfører mere kulstof i atmosfæren, er vi afhængige af havets massive bufferkapacitet for at bremse klimaændringerne. Vi bliver mere og mere bevidste om, at vi måske bliver nødt til at indstille pumpen i havets skala, " sagde Sullivan.

"Vi ville være interesserede i vira, der kunne tune ind mod et mere fordøjeligt kulstof, som gør det muligt for systemet at vokse, producere større og større celler og synke. Og hvis det synker, vinder vi yderligere et par hundrede eller tusind år fra det værste. virkningerne af klimaændringer.

"Jeg tror, ​​at samfundet dybest set regner med den slags teknologiske løsninger, men det er et komplekst grundlæggende videnskabeligt problem at pirre fra hinanden."

Undersøgelsen vises online i dag i Science .

Disse RNA-vira blev påvist i planktonprøver indsamlet af Tara Oceans Consortium, en igangværende global undersøgelse ombord på skonnerten Tara af klimaændringernes indvirkning på havet. Den internationale indsats sigter mod pålideligt at forudsige, hvordan havet vil reagere på klimaændringer ved at stifte bekendtskab med de mystiske organismer, der lever der og udfører det meste af arbejdet med at absorbere halvdelen af ​​det menneskeskabte kulstof i atmosfæren og producere halvdelen af ​​den ilt, vi indånder. .

Selvom disse marine virale arter ikke udgør en trussel mod menneskers sundhed, opfører de sig som alle vira, idet de hver især inficerer en anden organisme og bruger deres cellulære maskineri til at lave kopier af sig selv. Selvom resultatet altid kan betragtes som dårligt for værten, kan en viruss aktiviteter generere fordele for miljøet - for eksempel hjælpe med at fjerne en skadelig algeopblomstring.

Tricket til at definere, hvor de passer ind i økosystemet, har været at udvikle beregningsteknikker, der kan lokke information om RNA virale funktioner og værter fra fragmenter af genomer, der efter genomiske standarder er små til at begynde med.

"Vi lader dataene være vores guide," sagde medforfatter Guillermo Dominguez-Huerta, en tidligere postdoktor i Sullivans laboratorium.

Statistisk analyse af 44.000 sekvenser afslørede virussamfundets strukturelle mønstre, som holdet brugte til at tildele RNA-virussamfund i fire økologiske zoner:arktisk, antarktisk, tempereret og tropisk epipelagisk (tættest på overfladen, hvor fotosyntese forekommer) og tempereret og tropisk mesopelagisk (200- 1.000 meter dyb). Disse zoner matcher tæt zonetildelinger for de næsten 200.000 marine DNA-virusarter, som forskerne tidligere havde identificeret.

Der var nogle overraskelser. Mens biodiversiteten har en tendens til at udvide sig i varmere områder nær ækvator og falde tæt på de koldere poler, sagde Zayed, at en netværksbaseret økologisk interaktionsanalyse viste, at mangfoldigheden af ​​RNA-virale arter var højere end forventet i Arktis og Antarktis.

"Når det kommer til mangfoldighed, er vira ligeglad med temperaturen," sagde han. "Der var mere tydelige interaktioner mellem vira og cellulært liv i polære områder. Det fortæller os, at den høje mangfoldighed, vi ser på i polarområder, er dybest set, fordi vi har flere virale arter, der konkurrerer om den samme vært. Vi ser færre værtsarter, men flere virale arter, der inficerer de samme værter."

Holdet brugte adskillige metodiske tilgange til at identificere sandsynlige værter, først udledte værten baseret på klassificeringen af ​​vira i sammenhæng med havplankton og derefter lave forudsigelser baseret på, hvordan mængder af vira og værter "samvarierer", fordi deres overflod afhænger af hinanden. Den tredje strategi bestod i at finde beviser for integration af RNA-vira i cellulære genomer.

"De vira, vi studerer, indsætter ikke sig selv i værtsgenomet, men mange bliver integreret i genomet ved et uheld. Når det sker, er det et fingerpeg om værten, for hvis du finder et virussignal i et værtsgenom, er det fordi virussen på et tidspunkt var inde i cellen," sagde Dominguez-Huerta.

Mens de fleste dsDNA-vira havde vist sig at inficere bakterier og archaea, som er rigelige i havet, fandt denne nye analyse, at RNA-vira for det meste inficerer svampe og mikrobielle eukaryoter og i mindre grad hvirvelløse dyr. Kun en lille del af de marine RNA-vira inficerer bakterier.

Analysen gav også den uventede opdagelse af 72 mærkbare funktionelt forskellige metaboliske hjælpegener (AMG'er) drysset blandt 95 RNA-vira, hvilket gav nogle af de bedste fingerpeg om, hvilke slags organismer disse vira inficerer, og hvilke metaboliske processer de forsøger at omprogrammere. for at maksimere "fremstilling" af vira i havet.

Yderligere netværksbaseret analyse identificerede 1.243 RNA-virusarter forbundet med kulstofeksport, og meget konservativt antydedes 11 at være involveret i at fremme kulstofeksport til havets bund. Af disse blev to vira knyttet til værter i algefamilien udvalgt som de mest lovende mål for opfølgning.

"Modellering er ved at nå det punkt, hvor vi kan tage poser med gener fra disse storstilede genomiske undersøgelser og male metaboliske kort," sagde Sullivan, også professor i civil-, miljø- og geodætisk teknik og stiftende direktør for Ohio State's Center of Microbiome Science .

"Jeg forestiller mig vores brug af AMG'er og disse vira, der forudsiges at inficere bestemte værter, for faktisk at opkalde disse metaboliske kort mod det kulstof, vi har brug for. Det er gennem den metaboliske aktivitet, vi sandsynligvis skal handle."

Sullivan, Dominguez-Huerta og Zayed er også teammedlemmer i EMERGE Biology Integration Institute i Ohio State.