Comment la «matière noire virale» peut aider à atténuer le changement climatique

Une plongée approfondie dans les 5 500 espèces de virus à ARN marins récemment identifiées par les scientifiques a révélé que plusieurs d’entre elles pourraient aider à conduire le carbone absorbé de l’atmosphère vers un stockage permanent au fond de l’océan.

L’analyse suggère également qu’une petite partie de ces espèces nouvellement identifiées avaient des gènes « volés » des organismes qu’elles ont infectés, aidant les chercheurs à identifier leurs hôtes présumés et leurs fonctions dans les processus marins.

Au-delà de la cartographie d’une source de données écologiques fondamentales, la recherche conduit à une meilleure compréhension du rôle démesuré que ces minuscules particules jouent dans l’écosystème océanique.

« Les résultats sont importants pour le développement de modèles et pour prédire ce qui se passe avec le carbone dans la bonne direction et à la bonne ampleur », a déclaré Ahmed Zayed, chercheur en microbiologie à l’Ohio State University et co-premier auteur de l’étude.

La question de la magnitude est une considération sérieuse lorsqu’on prend en compte l’immensité de l’océan.

L’auteur principal Matthew Sullivan, professeur de microbiologie à l’Ohio State, envisage d’identifier des virus qui, lorsqu’ils sont conçus à grande échelle, pourraient fonctionner comme des « boutons » contrôlables sur une pompe biologique qui affecte la façon dont le carbone dans l’océan est stocké.

« Alors que les humains mettent plus de carbone dans l’atmosphère, nous dépendons de la capacité tampon massive de l’océan pour ralentir le changement climatique. Nous sommes de plus en plus conscients que nous pourrions avoir besoin d’ajuster la pompe à l’échelle de l’océan, « , a déclaré Sullivan.

« Nous serions intéressés par des virus qui pourraient s’adapter à un carbone plus digeste, ce qui permet au système de se développer, de produire des cellules de plus en plus grosses et de couler. Et s’il coule, nous gagnons encore quelques centaines ou mille ans du pire. effets du changement climatique.

« Je pense que la société compte essentiellement sur ce type de solution technologique, mais c’est un problème scientifique fondamental complexe à résoudre. »

L’étude paraît en ligne aujourd’hui dans La science.

Ces virus à ARN ont été détectés dans des échantillons de plancton collectés par le Consortium Tara Océansune étude globale en cours à bord de la goélette Tara de l’impact du changement climatique sur l’océan. L’effort international vise à prédire de manière fiable comment l’océan réagira au changement climatique en se familiarisant avec les organismes mystérieux qui y vivent et font l’essentiel du travail d’absorption de la moitié du carbone généré par l’homme dans l’atmosphère et de production de la moitié de l’oxygène que nous respirons. .

Bien que ces espèces virales marines ne constituent pas une menace pour la santé humaine, elles se comportent comme tous les virus, chacune infectant un autre organisme et utilisant sa machinerie cellulaire pour se reproduire. Bien que le résultat puisse toujours être considéré comme mauvais pour l’hôte, les activités d’un virus peuvent générer des avantages pour l’environnement, par exemple en aidant à dissiper une prolifération d’algues nuisibles.

L’astuce pour définir où ils s’intègrent dans l’écosystème a été de développer des techniques de calcul qui peuvent amasser des informations sur les fonctions virales de l’ARN et les hôtes à partir de fragments de génomes qui sont, selon les normes génomiques, petits pour commencer.

« Nous avons laissé les données nous guider », a déclaré le co-premier auteur Guillermo Dominguez-Huerta, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Sullivan.

L’analyse statistique de 44 000 séquences a révélé des modèles structurels de la communauté virale que l’équipe a utilisés pour répartir les communautés de virus à ARN dans quatre zones écologiques : arctique, antarctique, épipélagique tempérée et tropicale (la plus proche de la surface, où se produit la photosynthèse) et mésopélagique tempérée et tropicale (200- 1 000 mètres de profondeur). Ces zones correspondent étroitement aux affectations de zones pour les près de 200 000 espèces de virus à ADN marin que les chercheurs avaient précédemment identifiées.

Il y a eu quelques surprises. Alors que la biodiversité a tendance à s’élargir dans les régions plus chaudes près de l’équateur et à chuter près des pôles plus froids, Zayed a déclaré qu’une analyse des interactions écologiques basée sur le réseau a montré que la diversité des espèces virales à ARN était plus élevée que prévu dans l’Arctique et l’Antarctique.

« En ce qui concerne la diversité, les virus ne se soucient pas de la température », a-t-il déclaré. « Il y avait des interactions plus apparentes entre les virus et la vie cellulaire dans les zones polaires. Cela nous indique que la grande diversité que nous observons dans les zones polaires est essentiellement due au fait que nous avons plus d’espèces virales en compétition pour le même hôte. Nous voyons moins d’espèces d’hôtes mais plus d’espèces virales infectant les mêmes hôtes. »

L’équipe a utilisé plusieurs approches méthodologiques pour identifier les hôtes probables, en déduisant d’abord l’hôte sur la base de la classification des virus dans le contexte du plancton marin, puis en faisant des prédictions basées sur la façon dont les quantités de virus et d’hôtes « co-varient » parce que leur abondance dépend de l’un l’autre. La troisième stratégie consistait à trouver des preuves de l’intégration des virus à ARN dans les génomes cellulaires.

« Les virus que nous étudions ne s’insèrent pas dans le génome de l’hôte, mais beaucoup s’y intègrent par accident. Lorsque cela se produit, c’est un indice sur l’hôte car si vous trouvez un signal viral dans le génome de l’hôte, c’est parce qu’à un moment donné, le virus était à l’intérieur de la cellule », a déclaré Dominguez-Huerta.

Alors que la plupart des virus à ADNdb infectaient les bactéries et les archées, qui sont abondantes dans l’océan, cette nouvelle analyse a révélé que les virus à ARN infectent principalement les champignons et les eucaryotes microbiens et, dans une moindre mesure, les invertébrés. Seule une infime partie des virus à ARN marins infectent les bactéries.

L’analyse a également donné lieu à la découverte imprévue de 72 gènes métaboliques auxiliaires (AMG) discernables et fonctionnellement différents, parsemés parmi 95 virus à ARN, ce qui a fourni certains des meilleurs indices sur les types d’organismes que ces virus infectent et sur les processus métaboliques qu’ils tentent de reprogrammer. afin de maximiser la « fabrication » de virus dans l’océan.

Une analyse plus approfondie basée sur le réseau a identifié 1 243 espèces de virus à ARN liées à l’exportation de carbone et, de manière très conservatrice, 11 étaient supposées être impliquées dans la promotion de l’exportation de carbone vers le fond de la mer. Parmi ceux-ci, deux virus liés à des hôtes de la famille des algues ont été sélectionnés comme cibles les plus prometteuses pour le suivi.

« La modélisation arrive au point où nous pouvons prendre des sacs de gènes à partir de ces enquêtes génomiques à grande échelle et peindre des cartes métaboliques », a déclaré Sullivan, également professeur de génie civil, environnemental et géodésique et directeur fondateur du Center of Microbiome Science de l’Ohio. .

« J’envisage notre utilisation des AMG et de ces virus qui devraient infecter des hôtes particuliers pour composer ces cartes métaboliques vers le carbone dont nous avons besoin. C’est par cette activité métabolique que nous devons probablement agir. »

Sullivan, Dominguez-Huerta et Zayed sont également membres de l’équipe de l’EMERGE Biology Integration Institute de l’Ohio State.