Wie „virale dunkle Materie“ zur Eindämmung des Klimawandels beitragen kann

Ein tiefer Einblick in die 5.500 marinen RNA-Virusarten, die Wissenschaftler kürzlich identifiziert haben, hat ergeben, dass mehrere dazu beitragen können, aus der Atmosphäre absorbierten Kohlenstoff dauerhaft auf dem Meeresboden zu speichern.

Die Analyse deutet auch darauf hin, dass ein kleiner Teil dieser neu identifizierten Arten Gene von Organismen, die sie infizierten, „gestohlen“ hatte, was den Forschern hilft, ihre mutmaßlichen Wirte und Funktionen in marinen Prozessen zu identifizieren.

Neben der Kartierung einer Quelle grundlegender ökologischer Daten führt die Forschung zu einem umfassenderen Verständnis der übergroßen Rolle, die diese winzigen Partikel im Ökosystem Ozean spielen.

„Die Ergebnisse sind wichtig für die Modellentwicklung und die Vorhersage, was mit Kohlenstoff in der richtigen Richtung und in der richtigen Größenordnung passiert“, sagte Ahmed Zayed, Forschungswissenschaftler für Mikrobiologie an der Ohio State University und Mit-Erstautor der Studie.

Die Frage der Größe ist eine ernsthafte Überlegung, wenn man die Weite des Ozeans berücksichtigt.

Der Hauptautor Matthew Sullivan, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State, stellt sich vor, Viren zu identifizieren, die, wenn sie in großem Maßstab konstruiert werden, als steuerbare „Knöpfe“ an einer biologischen Pumpe fungieren könnten, die die Kohlenstoffspeicherung im Ozean beeinflusst.

„Da Menschen mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre abgeben, sind wir auf die massive Pufferkapazität des Ozeans angewiesen, um den Klimawandel zu verlangsamen. Wir werden uns immer mehr bewusst, dass wir die Pumpe möglicherweise auf die Größe des Ozeans einstellen müssen, “, sagte Sullivan.

„Wir wären an Viren interessiert, die sich auf einen besser verdaulichen Kohlenstoff einstellen könnten, der es dem System ermöglicht, zu wachsen, immer größere Zellen zu produzieren und zu sinken. Und wenn es sinkt, gewinnen wir noch ein paar hundert oder tausend Jahre vor dem Schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels.

„Ich denke, die Gesellschaft verlässt sich im Grunde auf diese Art von technologischer Lösung, aber es ist ein komplexes grundlegendes wissenschaftliches Problem, das auseinander zu nehmen ist.“

Die Studie erscheint heute online in Wissenschaft.

Diese RNA-Viren wurden in Planktonproben nachgewiesen, die von den gesammelt wurden Tara Oceans-Konsortiumeine laufende globale Studie an Bord des Schoners Tara über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Ozeane. Die internationalen Bemühungen zielen darauf ab, zuverlässig vorherzusagen, wie der Ozean auf den Klimawandel reagieren wird, indem sie sich mit den mysteriösen Organismen vertraut machen, die dort leben und den größten Teil der Arbeit leisten, die Hälfte des vom Menschen erzeugten Kohlenstoffs in der Atmosphäre zu absorbieren und die Hälfte des Sauerstoffs zu produzieren, den wir atmen .

Obwohl diese marinen Virusarten keine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen, verhalten sie sich wie alle Viren, indem sie jeweils einen anderen Organismus infizieren und ihre Zellmaschinerie verwenden, um Kopien von sich selbst anzufertigen. Obwohl das Ergebnis immer als schlecht für den Wirt angesehen werden kann, können die Aktivitäten eines Virus Vorteile für die Umwelt mit sich bringen – zum Beispiel helfen, eine schädliche Algenblüte zu zerstreuen.

Der Trick, um zu definieren, wo sie in das Ökosystem passen, bestand in der Entwicklung von Computertechniken, die Informationen über virale RNA-Funktionen und Wirte aus Fragmenten von Genomen entlocken können, die nach genomischen Maßstäben zunächst klein sind.

„Wir lassen uns von den Daten leiten“, sagte Co-Erstautor Guillermo Dominguez-Huerta, ein ehemaliger Postdoktorand in Sullivans Labor.

Die statistische Analyse von 44.000 Sequenzen enthüllte strukturelle Muster von Virusgemeinschaften, die das Team verwendete, um RNA-Virusgemeinschaften in vier ökologische Zonen einzuteilen: Arktische, Antarktische, gemäßigte und tropische Epipelagic (am nächsten an der Oberfläche, wo die Photosynthese stattfindet) und gemäßigtes und tropisches Mesopelagic (200- 1.000 Meter tief). Diese Zonen stimmen eng mit den Zonenzuweisungen für die fast 200.000 marinen DNA-Virusarten überein, die die Forscher zuvor identifiziert hatten.

Es gab einige Überraschungen. Während sich die Biodiversität in wärmeren Regionen in der Nähe des Äquators tendenziell ausbreitet und in der Nähe der kälteren Pole abnimmt, sagte Zayed, eine netzwerkbasierte ökologische Interaktionsanalyse habe gezeigt, dass die Vielfalt der RNA-Virusarten in der Arktis und Antarktis höher sei als erwartet.

„Wenn es um Diversität geht, kümmern sich Viren nicht um die Temperatur“, sagte er. „Es gab deutlichere Wechselwirkungen zwischen Viren und zellulärem Leben in Polargebieten. Das sagt uns, dass die hohe Diversität, die wir in Polargebieten beobachten, im Wesentlichen darauf zurückzuführen ist, dass wir mehr Virusarten haben, die um denselben Wirt konkurrieren. Wir sehen jedoch weniger Wirtsarten mehr Virusarten, die dieselben Wirte infizieren.“

Das Team verwendete mehrere methodische Ansätze, um wahrscheinliche Wirte zu identifizieren, indem es zunächst auf den Wirt basierend auf der Klassifizierung der Viren im Zusammenhang mit marinem Plankton schloss und dann Vorhersagen machte, basierend darauf, wie die Mengen von Viren und Wirten „kovariieren“, da ihre Häufigkeit davon abhängt gegenseitig. Die dritte Strategie bestand darin, Hinweise auf die Integration von RNA-Viren in zelluläre Genome zu finden.

„Die Viren, die wir untersuchen, fügen sich nicht in das Wirtsgenom ein, aber viele werden versehentlich in das Genom integriert. Wenn es passiert, ist es ein Hinweis auf den Wirt, denn wenn Sie ein Virussignal in einem Wirtsgenom finden, ist es das weil sich das Virus irgendwann in der Zelle befand“, sagte Dominguez-Huerta.

Während festgestellt wurde, dass die meisten dsDNA-Viren Bakterien und Archaeen infizieren, die im Ozean reichlich vorhanden sind, ergab diese neue Analyse, dass RNA-Viren hauptsächlich Pilze und mikrobielle Eukaryoten und in geringerem Maße Wirbellose infizieren. Nur ein winziger Bruchteil der marinen RNA-Viren infiziert Bakterien.

Die Analyse ergab auch die unerwartete Entdeckung von 72 unterscheidbaren funktionell unterschiedlichen metabolischen Hilfsgenen (AMGs), die auf 95 RNA-Viren verteilt sind, was einige der besten Hinweise darauf lieferte, welche Arten von Organismen diese Viren infizieren und welche Stoffwechselprozesse sie umzuprogrammieren versuchen um die „Herstellung“ von Viren im Ozean zu maximieren.

Weitere netzwerkbasierte Analysen identifizierten 1.243 RNA-Virusarten, die mit dem Kohlenstoffexport in Verbindung stehen, und, sehr konservativ, wurde impliziert, dass 11 an der Förderung des Kohlenstoffexports zum Meeresboden beteiligt sind. Von diesen wurden zwei Viren, die mit Wirten in der Algenfamilie verbunden sind, als die vielversprechendsten Ziele für die Nachverfolgung ausgewählt.

„Die Modellierung erreicht den Punkt, an dem wir Beutel mit Genen aus diesen groß angelegten Genomuntersuchungen entnehmen und Stoffwechselkarten zeichnen können“, sagte Sullivan, ebenfalls Professor für Bau-, Umwelt- und Geodäsietechnik und Gründungsdirektor des Ohio State Center of Microbiome Science .

„Ich stelle mir unsere Verwendung von AMGs und diesen Viren vor, von denen vorhergesagt wird, dass sie bestimmte Wirte infizieren, um diese Stoffwechselkarten tatsächlich auf den von uns benötigten Kohlenstoff abzustimmen. Durch diese Stoffwechselaktivität müssen wir wahrscheinlich handeln.“

Sullivan, Dominguez-Huerta und Zayed sind auch Teammitglieder im EMERGE Biology Integration Institute im Bundesstaat Ohio.