Когда морские водоросли болеют: как вирусы влияют на взаимодействия микробов
Исследование самых мелких вирус-инфицированных микробов в океане дает новые представления о морской пищевой сети, что может помочь улучшить прогнозы изменения климата. В новой работе, соавтором которой является доцент биологии Университета Уэйк Форест Шери Флог, объединили усилия вирусные экологи, химики и физики, чтобы больше узнать о морских микробах и о том, что происходит при их заражении вирусами.
В океане большую часть фотосинтеза осуществляют мельчайшие микробы, в частности фитопланктон. Эти одноклеточные организмы также являются основой морской пищевой сети. Один из самых распространенных типов фитопланктона — морские пикоцианобактерии, такие как Synechococcus.
«Synechococcus играют огромную роль в глобальном океане, — говорит Шери Флог. — Вместе с другими пикоцианобактериями они ответственны примерно за четверть океанического фотосинтеза и важны для цикла углерода и питательных веществ. Поэтому важно понимать их влияние, особенно в контексте изменения климата».
Эти микроорганизмы подвержены вирусной инфекции, что меняет их состав. До сих пор ученые мало знали о том, что происходит на ранних стадиях заражения. Флог стала соавтором нового исследования в Nature Microbiology, которое глубже исследует этот процесс.
«Исторически ученые фокусировались на роли вирусов в океане в лизе (разрыве) клеток. Наша работа показывает, что интактные вирус-инфицированные клетки биохимически и физиологически отличаются от неинфицированных, и другие организмы по-разному на них реагируют», — говорит Флог.
«Не так много исследований было сосредоточено на ранней стадии инфекции. Изучая зараженные клетки до их лизиса, мы можем узнать об их экологической роли в океанических сообществах. Эти дополнительные данные важны, потому что дают более полную картину того, что происходит в морских экосистемах».
Сотрудничество и инновации
Флог сотрудничала с учеными из других учреждений, включая Университет Тафтса и Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли.
«Когда эти инфицированные клетки умирают, они высвобождают большое количество "пищи", которой питаются все остальные, — говорит ведущий автор исследования Ричард Дж. Хеншоу. — Но мы обнаружили, что на ранних стадиях они также выделяют сильные химические сигналы. Другие организмы могут их чувствовать и плыть к зараженным клеткам. Таким образом, ранний процесс заражения не менее, если не более, важен для морских экосистем, чем лизис».
Чтобы получить более четкую картину этих микроскопических взаимодействий в клетках, ученые вывели исследовательские методики на новый уровень. В работе используются новые методы (недавно разработанное мультиплексное устройство для хемотаксиса) в сочетании с высококонтролируемыми экспериментами по вирусной инфекции, чтобы лучше понять экологическую роль вирусов и зараженных ими микробов в океанических системах.
Это инновационное устройство было разработано Майклом Стенаком, тогда аспирантом Университета Тафтса, а ныне постдоком в Университете Брандейса.
«Это устройство позволит ученым из разных областей быстро количественно оценить, как микробы реагируют на химические градиенты разной силы, — добавляет Хеншоу. — Его можно использовать в промышленности и фармацевтике, например, для исследования доз лекарств или устойчивости к антибиотикам. Мы продемонстрировали в этой работе на примере фитопланктона и бактерий, что использование этого устройства более эффективно и может сэкономить бесчисленные часы исследований».
Моделирование океанической среды
В исследовательском процессе участвовали студенты бакалавриата и магистратуры Университета Уэйк Форест. Эксперименты по вирусной инфекции проводятся на культурах планктона, поддерживаемых в лаборатории с климатической камерой университета.
«Климатическая камера — это высококонтролируемая среда с освещением, которое можно программировать для имитации естественных световых условий, — говорит Флог. — Мы проводим эксперименты по вирусной инфекции в большом и малом масштабе на различных типах фитопланктона, выращенных в искусственной морской воде, чтобы раскрыть влияние вирусов на метаболизм и взаимодействия планктона».
Флог отмечает, что новая работа основана на ее предыдущих исследованиях океанических вирусов. По ее словам, самое интересное в этом исследовании — то, как оно открыло новое окно для дальнейших изысканий.
«Когда мы пытаемся создать прогностические модели того, что произойдет в будущем с изменением климата, большая часть нашей неопределенности связана с микробными взаимодействиями, потому что они были во многом "черным ящиком". Это новое исследование помогает нам открыть этот ящик и собрать важные данные, которые меняют наше понимание некоторых ролей вирусов в океане».