Forscher beginnen, das mysteriöse Leben von Jumbo-Bakteriophagen aufzudecken

Viren sind winzige, aber mächtige Eindringlinge, die in der Umwelt, einschließlich des menschlichen Körpers, vorkommen und in Ökosystemen eine Vielzahl von Rollen spielen können. Viren gibt es auch in verschiedenen Größen. Einige sind sogar größer als Bakterien, was Wissenschaftler bis vor kurzem für selten hielten.

Zu diesen großen Viren gehören bakterielle Viren, die Jumbo-Bakteriophagen genannt werden. Jumbo-Phagen wurden vor Jahrzehnten entdeckt, aber sie sind paradoxerweise größtenteils einer weiteren Untersuchung entgangen, weil die Wissenschaftler in einem zu kleinen Maßstab betrachteten.

Alaina Weinheimer, eine Ph.D. Kandidat, und Frank Aylward, Assistenzprofessor für Biowissenschaften am College of Science der Virginia Tech und angegliedertes Fakultätsmitglied am Zentrum für neu auftretende, zoonotische, von Arthropoden übertragene Krankheitserreger am Fralin Life Sciences Institute, versuchen, einige große Fragen zu beantworten über diese Jumbo-Viren. In einer kürzlich durchgeführten Studie konstruierte und analysierte Weinheimer die Genome mariner Jumbo-Phagen, was zu einer Reihe von Erkenntnissen über ihre Evolution und Ökologie führte.

„Wir fangen gerade erst an, die Vielfalt und den Umfang von Jumbo-Phagen in der Umwelt zu schätzen“, sagte Weinheimer und Erstautor der Veröffentlichung. „Wir verstehen die Auswirkungen von Jumbo-Phagen noch nicht ganz, und wir beginnen gerade erst zu erkennen, dass sie ziemlich weit verbreitet sind. Diese Studie zeigt, dass sie überall im Ozean zu finden sind und nicht unbedingt alle gleich infizieren Art von Bakterien.“

Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Das ISME-Journal: Multidisziplinäre Zeitschrift für mikrobielle Ökologie.

Bakterien sind die treibende Kraft hinter den Nährstoffkreisläufen der Ozeane. Trotz ihrer Position am Ende der Nahrungskette erfüllen Bakterien lebenswichtige Funktionen wie Photosynthese und Stickstofffixierung, die einen großen Beitrag zur Gesundheit mariner Ökosysteme leisten.

Wenn Jumbo-Bakteriophagen Bakterien infizieren und töten, übernehmen sie zunächst die Kontrolle über den Stoffwechsel der Bakterien und wandeln die Hauptfunktionen der Bakterien – wie Photosynthese und Transkription – in die Replikation weiterer Viren um. Um neue Viren freizusetzen, platzt die Bakterienzelle, wodurch auch die Nährstoffe und das organische Material der Zelle ins Meer freigesetzt werden. Diese Infektionen prägen Nährstoffkreisläufe im Ozean.

Aus diesem Grund sind die Forscher entschlossen zu verstehen, wie Phagen die Zusammensetzung mariner mikrobieller Gemeinschaften und Nährstoffkreisläufe verändern, die Bakterien beeinflussen. Um Viren wie diese zu untersuchen, müssen Forscher jedoch über eine grundlegende mikroskopische Ebene hinausgehen.

Es kann unglaublich schwierig sein, Viren in einem Labor zu züchten. Um sie zu analysieren, gehen Forscher oft hinaus und sammeln DNA-Proben aus der Umgebung, die als Metagenome bezeichnet werden. Jede metagenomische Probe besteht aus DNA von vielen Organismen oder Entitäten, was bedeutet, dass Forscher die Genome von Viren selbst isolieren und zusammensetzen müssen.

Von da an ist der Prozess wie das Konstruieren eines unvollständigen Puzzles.

„Wenn wir DNA in der Umwelt sequenzieren, müssen wir die DNA zunächst in winzige Stücke zerlegen“, sagt Weinheimer. „Nachdem sie sequenziert sind, setzen wir die Stücke wieder zu längeren DNA-Abschnitten zusammen, von denen wir glauben, dass sie zum selben Genom gehören.“

Aufgrund ihrer besonders komplexen Evolution und ihrer Genome müssen Forscher komplizierte Wege finden, um Jumbo-Phagen nachzuweisen und ihre Genome so genau und vollständig wie möglich zu rekonstruieren.

Nach einigem Ausprobieren entwickelten Weinheimer und Aylward eine Methode, die anderen Forschern helfen wird, Jumbo-Bakteriophagen in Metagenomen besser zu identifizieren und zu gruppieren.

Mit diesem Ansatz konnten Weinheimer und Aylward erfolgreich 85 hochwertige Jumbo-Phagen-Genome aus dem Ozean gewinnen. Anschließend gruppierten sie diese Jumbo-Phagen basierend auf dem Gengehalt mit anderen bekannten Jumbo-Phagen und konnten daraus schließen, dass bestimmte Gruppen von Jumbo-Phagen in Oberflächengewässern häufiger vorkommen als in tieferen Gewässern und umgekehrt.

„Herkömmliche Methoden betrachten typischerweise nur ein Fragment von Jumbo-Phagen-Genomen“, sagte Weinheimer. „Aber mit unserem Ansatz kommen wir dem vollständigen Genom näher und können so unser Verständnis der Diversität und Biologie dieser Phagen verbessern.“

In ihrer Studie schlagen Weinheimer und Aylward auch vor, dass Bakteriophagen unterschiedliche Wege zur Entwicklung solch großer Genome haben. Während einige Phagen photosynthetische Gene erwerben, um die Infektionseffizienz zu unterstützen, nehmen andere Gene auf, die für die Bekämpfung der Abwehr ihres Wirts wichtiger sind.

Dieser Befund stützt die Hypothese, dass ein Wettrüsten des Verteidigungssystems mitverantwortlich für die beeindruckende Größe und Vielfalt der Bakteriophagengenome ist.

Aber es muss noch mehr getan werden, um zu verstehen, wie Komplexität in der Virenwelt entsteht oder sich entwickelt und wie sie sich mit ihren Wirten entwickelt. Jetzt, da Weinheimer und Aylward wissen, wo diese Jumbo-Phagen häufiger vorkommen, können sie Proben sammeln, um sie möglicherweise sogar im Labor zu züchten.

„Indem wir Jumbo-Phagen anvisieren und isolieren oder im Labor züchten, können wir ihre Biologie besser verstehen“, sagte Weinheimer. „Viele Jumbo-Phagen haben Gene mit unbekannter Funktion, und wir sind gespannt, was wir finden werden.“

Darüber hinaus können ihre Methoden auf Metagenomproben aus anderen Umgebungen wie Böden und Seen angewendet werden, um zu sehen, welche Rolle Jumbo-Phagen in diesen Ökosystemen spielen könnten.