Untersuchung von Viren, die dazu beitragen können, die Kohlenstoffbindung im Meer anzukurbeln

Ausgestattet mit einem Katalog von Hunderttausenden DNA- und RNA-Virusarten in den Weltmeeren konzentrieren sich Wissenschaftler nun auf die Viren, die den Klimawandel am wahrscheinlichsten bekämpfen, indem sie dabei helfen, Kohlendioxid im Meerwasser einzufangen, oder, indem sie ähnliche Techniken anwenden, auf andere Viren, die möglicherweise den Klimawandel bekämpfen verhindern, dass Methan aus dem tauenden arktischen Boden entweicht.

Durch die Kombination von Genomsequenzierungsdaten mit der Analyse künstlicher Intelligenz haben Forscher im Meer lebende Viren identifiziert und ihre Genome untersucht. Dabei kam sie zu dem Ergebnis, dass sie Gene von anderen Mikroben oder Zellen „stehlen“, die im Meer Kohlenstoff verarbeiten. Durch die Kartierung mikrobieller Stoffwechselgene, einschließlich derjenigen für den Kohlenstoffstoffwechsel unter Wasser, wurden 340 bekannte Stoffwechselwege in den Weltmeeren entdeckt. Davon wurden 128 auch im Genom von Meeresviren gefunden.

„Ich war schockiert, dass die Zahl so hoch war“, sagte Matthew Sullivan, Professor für Mikrobiologie und Direktor des Center of Microbiome Science an der Ohio State University.

Nachdem das Team diesen riesigen Datenschatz mithilfe von Fortschritten in der Berechnung ausgewertet hat, hat es nun herausgefunden, welche Viren eine Rolle im Kohlenstoffstoffwechsel spielen, und nutzt diese Informationen in neu entwickelten gemeinschaftlichen Stoffwechselmodellen, um vorherzusagen, wie Viren eingesetzt werden können, um das Meeresmikrobiom in Richtung eines besseren Kohlenstoffs zu verändern Capture würde aussehen.

„Bei der Modellierung geht es darum, wie Viren die mikrobielle Aktivität im System erhöhen oder verringern können“, sagte Sullivan. „Community-Stoffwechselmodellierung verrät mir den Traumdatenpunkt: Welche Viren zielen auf die wichtigsten Stoffwechselwege ab, und das ist wichtig, weil es bedeutet, dass sie gute Hebel sind, die man nutzen kann.“

Sullivan präsentierte die Forschung heute auf der Jahrestagung der Amerikanische Vereinigung zur Förderung der Wissenschaft in Denver.

Sullivan war der Viruskoordinator des Tara Oceans Consortium, einer dreijährigen globalen Studie über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Weltmeere und die Quelle von 35.000 Wasserproben, die die mikrobielle Fülle enthielten. Sein Labor konzentriert sich auf Phagen, Viren, die Bakterien infizieren, und ihr Potenzial, in einem technischen Rahmen vergrößert zu werden, um Meeresmikroben so zu manipulieren, dass sie Kohlenstoff in die schwerste organische Form umwandeln, die auf den Meeresboden sinkt.

„Meere nehmen Kohlenstoff auf, und das schützt uns vor dem Klimawandel. CO2 wird als Gas absorbiert und seine Umwandlung in organischen Kohlenstoff wird von Mikroben bestimmt“, sagte Sullivan. „Was wir jetzt sehen, ist, dass Viren auf die wichtigsten Reaktionen im Stoffwechsel dieser mikrobiellen Gemeinschaft abzielen. Das bedeutet, dass wir mit der Untersuchung beginnen können, welche Viren verwendet werden könnten, um Kohlenstoff in die gewünschte Art umzuwandeln.“

„Mit anderen Worten: Können wir diesen riesigen Ozeanpuffer zu einer Kohlenstoffsenke ausbauen, um Zeit gegen den Klimawandel zu gewinnen, anstatt diesen Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freizusetzen, um ihn zu beschleunigen?“

Im Jahr 2016 stellte das Tara-Team fest, dass die Kohlenstoffsenkung im Ozean mit dem Vorhandensein von Viren zusammenhängt. Es wird angenommen, dass Viren dabei helfen, Kohlenstoff abzusenken, wenn virusinfizierte kohlenstoffverarbeitende Zellen sich zu größeren, klebrigen Aggregaten zusammenballen, die auf den Meeresboden fallen. Die Forscher entwickelten KI-basierte Analysen, um Tausende von Viren zu identifizieren, von denen nur wenige „VIP“-Viren sind, um sie im Labor zu kultivieren und als Modellsysteme für das Geoengineering der Ozeane zu verwenden.

Diese neue gemeinschaftliche Stoffwechselmodellierung, die von Professor Damien Eveillard vom Tara Oceans Consortium entwickelt wurde, hilft ihnen zu verstehen, welche unbeabsichtigten Folgen ein solcher Ansatz haben könnte. Sullivans Labor nutzt diese gewonnenen Erkenntnisse aus den Ozeanen und wendet sie auf die Verwendung von Viren an, um Mikrobiome in menschlichen Umgebungen zu manipulieren, um die Genesung nach Rückenmarksverletzungen zu unterstützen, die Ergebnisse für Säuglinge von Müttern mit HIV zu verbessern, Infektionen bei Brandwunden zu bekämpfen und vieles mehr.

„Das Gespräch, das wir führen, ist: ‚Wie viel davon ist übertragbar?‘“, sagte Sullivan, ebenfalls Professor für Bau-, Umwelt- und Geodätikingenieurwesen. „Das übergeordnete Ziel besteht darin, Mikrobiome so zu gestalten, dass sie unserer Meinung nach nützlich sind.“

Er berichtete auch über frühe Bemühungen, Phagen als Geoengineering-Werkzeuge in einem völlig anderen Ökosystem einzusetzen: dem Permafrost in Nordschweden, wo Mikroben sowohl das Klima verändern als auch auf den Klimawandel reagieren, wenn der gefrorene Boden auftaut.

Virginia Rich, außerordentliche Professorin für Mikrobiologie an der Ohio State, ist Co-Direktorin des EMERGE Biology Integration Institute mit Sitz an der Ohio State, das die Mikrobiomwissenschaft am schwedischen Feldstandort organisiert. Rich war außerdem Co-Leiter früherer Forschungsarbeiten, bei denen eine Abstammungslinie einzelliger Organismen im auftauenden Permafrostboden als bedeutender Produzent von Methan, einem starken Treibhausgas, identifiziert wurde.

Rich organisierte die AAAS-Sitzung gemeinsam mit Ruth Varner von der University of New Hampshire, die gemeinsam das EMERGE-Institut leitet, das sich darauf konzentriert, besser zu verstehen, wie Mikrobiome auf das Auftauen des Permafrosts und die daraus resultierenden Klimawechselwirkungen reagieren.

Sullivans Vortrag trug den Titel „Von der Ökosystembiologie zum Management von Mikrobiomen mit Viren“ und wurde in der Sitzung mit dem Titel „Mikrobiom-gezieltes Ökosystemmanagement: Kleine Akteure, große Rollen“ gehalten.