Studie zeigt: Nährstoffmangel verändert Virusinfektion

So viel wissen wir: Wenn Viren Bakterien infizieren – ein häufiges Phänomen in Ozeanen, Böden und sogar im menschlichen Darm –, entstehen durch diese Interaktion völlig neue Organismen, sogenannte „Virozellen“. Aber die Wissenschaft erforscht immer noch, wie diese Verschmelzung von Mikroben ihre Umgebung beeinflusst und von ihr beeinflusst wird.

Vor vier Jahren machten Wissenschaftler im Labor eine überraschende Entdeckung bei Meeresbakterien, die von zwei verschiedenen Viren infiziert waren: Aus den Infektionen entstanden zwei sehr unterschiedliche Virozellen, deren Funktionen ausschließlich von den Bedürfnissen der Viren und nicht von ihrem bakteriellen Ursprung bestimmt wurden.

„Sie funktionieren also unterschiedlich, obwohl es sich um dieselbe Elternzelle handelte. Aus derselben Entität wurden zwei verschiedene Entitäten aus zwei verschiedenen Viren“, sagte Cristina Howard-Varona, Forscherin für Mikrobiologie an der Ohio State University und der ersten Autor der Studie. „Das ist faszinierend, weil es ständig zu Virusinfektionen kommt.“

Die Entdeckung wurde unter experimentellen Bedingungen gemacht, die als am besten geeignet galten, um ein bisher unbekanntes Phänomen zu beobachten – darunter ein hoher Gehalt des Nährstoffs Phosphat im Wasser. Howard-Varona und Kollegen haben die Arbeit in einer neuen Studie unter phosphatarmen Bedingungen wiederholt, die der natürlichen Welt ähnlicher sind, wo Teile des Ozeans nährstoffarm sind.

Sie fanden heraus, dass diese realen Bedingungen einen großen Unterschied darin machten, wie sich eine Virusinfektion auf die Wirtsbakterien auswirkte – so sehr, dass die beiden Arten infizierter Zellen in der Arbeit als Venn-Diagramm dargestellt werden, um die Funktionen und Eigenschaften zu zeigen, die sie einzeln oder gemeinsam haben in Kombination aufgrund ihrer nährstoffarmen Umgebung.

Die Studie war veröffentlicht vor kurzem in Das ISME Journal.

Bei den neuen Erkenntnissen geht es nicht nur darum, wie sich die beiden Virozellen einzeln in einem phosphatarmen Bereich des Ozeans verhalten, sondern auch darum, welchen Einfluss die Umwelt auf den alltäglichen Vorgang hat, dass Viren Bakterien infizieren.

„Wenn man nur einen Nährstoff verbraucht, hat das drastische Auswirkungen – es verändert das Bild der Infektion, obwohl es sich um dieselbe Zelle und dieselben Viren handelt wie in der früheren Studie“, sagte Howard-Varona.

„Was würde also passieren, wenn wir die Zellen noch mehr aushungern oder ihnen einen anderen Nährstoff entziehen würden? Daraus können wir schließen, dass es sehr wichtig sein wird, Zellen und Virozellen unter Nährstoffbedingungen zu untersuchen, die denen in der Natur ähnlicher sind.“

Die Forschung habe das Potenzial, die groß angelegte Modellierung mikrobieller Systeme der Ozeane zu verbessern, in der die Virocell-Komponente bislang eher mangelhaft sei, sagte Matthew Sullivan, Co-Autor beider Studien und Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University.

„Wenn wir vorhersagen wollen, welchen Beitrag Organismen zur Geochemie der Ozeane leisten, müssen wir wissen, wie Zellpopulationen interagieren, wie sie Nährstoffe aus der Umwelt beziehen und wie sich dadurch die Zusammensetzung der organischen Materie ändert, aus der die Zellen bestehen – und wie alles zusammen zum Klimawandel und zur Reaktion der Ozeane auf den Klimawandel beiträgt“, sagte Sullivan, der auch Professor für Bau-, Umwelt- und Geodäsieingenieurwesen und Gründungsdirektor des Center of Microbiome Science der Ohio State University ist.

„Dasselbe gilt für die Modellierung von Mikroben in Böden, die ebenfalls keine nährstoffreiche Umgebung aufweisen und bei denen wir sehr wenig über Virozellen und ihren Beitrag zur Gesundheit von Wurzeln und Nutzpflanzen wissen.“

In der neuen Studie stellten die Forscher fest, dass die beiden infizierenden Viren tatsächlich viel Kontrolle über die Funktionen hatten, die die beiden resultierenden Virozellen dominierten.

Die Viren, Phagen genannt, wurden aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen Eigenschaften ausgewählt: Einer ist dem Wirtsbakterium genomisch sehr ähnlich und konzentriert sich daher auf das Recycling vorhandener Ressourcen, während der andere, weniger ähnliche Phage härter arbeiten muss, um Ressourcen zu erzeugen. In beiden Fällen geht es darum, Energie freizusetzen, die Herstellung von Viruskopien zu maximieren und schließlich den Wirt zu töten.

„Aber diese Unterschiede waren in der phosphatarmen Umgebung geringer und daher weniger wichtig. Dies deutet darauf hin, dass die Umgebung einen stärkeren Einfluss auf das Verhalten der Virozellen haben könnte als die infizierenden Viren“, sagte Howard-Varona.

Und dann gab es noch gemeinsame Aktivitäten beider Virozellen als Reaktion auf den Hunger: die Aktivierung einer zellweiten Stressreaktion, die Gewinnung von Energie aus der Verstoffwechselung von Fetten anstelle von Kohlenhydraten und die Reduzierung der Menge an organischem Material, das sie aus der Umwelt verbrauchen.

„Jede Zelle auf der Welt braucht Phosphat, um DNA und Energie herzustellen, und ohne Phosphat gibt es kein Leben, keine Funktion, keinen Stoffwechsel“, sagte Howard-Varona. „Und wir haben gezeigt, dass Virozellen unter diesen Bedingungen Gemeinsamkeiten aufweisen. Sie spüren die Nährstoffbeschränkung und verhalten sich ähnlicher als damals, als sie in einer nährstoffreichen Umgebung wuchsen.“

„Die Umgebung ist für Virusinfektionen sehr wichtig – und Sie können sich also vorstellen, dass dies für jede Umgebung gilt.“

Die Forscher werden einen Großteil ihrer Erkenntnisse aus der Meeresumwelt auf Untersuchungen von Boden-Virozellen anwenden.

Zu den Co-Autoren gehören Azriel Krongauz, Natalie Solonenko, Ahmed Zayed und Subhadeep Paul aus Ohio State; Co-Erstautorin Morgan Lindback und Co-Seniorautorin Melissa Duhaime von der University of Michigan; Jane Fudyma und Malak Tfaily von der University of Arizona; William Andreopoulos und Tijana Glavina del Rio vom DOE; und Heather Olson, Young-Mo Kim, Jennifer Kyle und Joshua Adkins vom Pacific Northwest National Laboratory.