Слияние микробов: исследование показывает, что низкое содержание питательных веществ меняет вирусную инфекцию
Когда вирусы заражают бактерии — обычное явление в океанах, почвах и даже кишечнике человека — в результате взаимодействия создаются совершенно новые организмы, называемые «вироклетками». Однако ученые все еще изучают, как это слияние микробов влияет на окружающую среду и само зависит от нее.
Четыре года назад ученые сделали неожиданное открытие в лаборатории об океанических бактериях, зараженных двумя разными вирусами: инфекции привели к появлению двух очень разных вироклеток, чьи функции полностью определялись потребностями вирусов, а не происхождением бактерий.
«Они функционируют по-разному, хотя произошли от одной и той же родительской клетки. Один и тот же организм стал двумя разными организмами из-за двух разных вирусов», — сказала Кристина Ховард-Варона, научный сотрудник в области микробиологии Университета штата Огайо и первый автор исследования. «Это удивительно, потому что вирусные инфекции происходят постоянно».
Это открытие было сделано в экспериментальных условиях, считающихся оптимальными для наблюдения ранее неизвестного явления, — включая высокий уровень питательного фосфата в воде. Ховард-Варона и коллеги повторили работу в новом исследовании в условиях низкого содержания фосфата, более похожих на естественные, где участки океана обеднены питательными веществами.
Они обнаружили, что эти реальные условия сильно повлияли на то, как вирусная инфекция воздействовала на бактерии-хозяева. Настолько, что два типа зараженных клеток представлены в статье в виде диаграммы Венна, чтобы показать функции и характеристики, которые они разделяют или имеют по отдельности в результате низкого содержания питательных веществ в среде.
Исследование было недавно опубликовано в The ISME Journal.
Суть новых выводов не только в том, как две вироклетки ведут себя по отдельности в области океана с низким содержанием фосфата, но и в том, насколько сильно окружающая среда влияет на обычное событие — заражение бактерий вирусами.
«Когда вы истощаете всего один питательный элемент, это оказывает резкое влияние — это меняет картину инфекции, даже если это та же клетка и те же вирусы, что и в предыдущем исследовании», — сказала Ховард-Варона.
«Так что произойдет, если мы истощим ее еще больше или лишим другого питательного вещества? Это говорит нам о том, что будет очень важно изучать клетки и вироклетки в условиях содержания питательных веществ, которые более точно соответствуют тем, с которыми они сталкиваются в природе».
Исследование может помочь улучшить крупномасштабное моделирование океанических микробных систем, в котором до сих пор, как правило, отсутствует компонент вироклеток, сказал Мэтью Салливан, соавтор обоих исследований и профессор микробиологии в штате Огайо.
«Если мы хотим предсказать, как организмы влияют на геохимию океана, нам нужно знать, как взаимодействуют популяции клеток, как они получают питательные вещества из окружающей среды и как это меняет состав органического вещества, из которого состоят клетки, — и как все вместе способствует изменению климата и реакции океанов на изменение климата», — сказал Салливан, также профессор гражданского, экологического и геодезического строительства и основатель Центра науки о микробиомах штата Огайо.
«То же самое верно и для моделирования микробов в почвах, которые также не имеют богатой питательными веществами среды и где мы очень мало знаем о вироклетках и их вкладе в здоровье корней и сельскохозяйственных культур».
В новом исследовании ученые обнаружили, что два заражающих вируса действительно оказывают значительный контроль над функциями, которые доминировали в двух образовавшихся вироклетках.
Вирусы, называемые фагами, были выбраны из-за их очень разных качеств: один очень похож геномно на бактерии-хозяева, поэтому он сосредоточился на переработке существующих ресурсов, а другой, менее похожий фаг, должен был работать усерднее, чтобы генерировать ресурсы. В обоих случаях цель — получить доступ к энергии и максимизировать создание вирусных копий, что в конечном итоге приводит к гибели хозяина.
«Но эти различия сузились в среде с низким содержанием фосфата, поэтому они менее важны — это говорит о том, что окружающая среда может оказывать более сильное влияние, чем заражающие вирусы, на поведение вироклеток», — сказала Ховард-Варона.
Кроме того, были выявлены общие для обеих вироклеток реакции на голодание: активация общеклеточного стрессового ответа, получение энергии за счет метаболизма жиров, а не углеводов, и сокращение количества потребляемого из окружающей среды органического вещества.
«Каждой клетке в мире нужен фосфат для создания ДНК и энергии, поэтому без него нет жизни, нет функции, нет метаболизма», — сказала Ховард-Варона. «И мы показали, что в этих условиях вироклетки имеют общие черты. Они ощущают ограничение питательных веществ и ведут себя более похоже, чем когда росли в среде, богатой питательными веществами.
«Окружающая среда очень важна для вирусных инфекций — и можно представить, что это верно для любой среды».
Исследователи будут применять многое из того, что они узнали о морской среде, к изучению почвенных вироклеток.