Зомби-клетки в океане: как вирусы управляют судьбой самых распространенных бактерий

Океан — это огромный и загадочный мир, населенный невероятным количеством микроорганизмов. Среди них выделяются SAR11, крошечные бактерии, составляющие 20-50% всех планктонных клеток в океане. Их роль в биогеохимических циклах планеты неоценима, но механизмы, обеспечивающие их успех, до сих пор остаются не до конца понятными.

Долгое время считалось, что SAR11 — это медленные и скрытные бактерии, способные избегать атак вирусов. Однако, последние исследования показали, что SAR11 все-таки подвержены нападениям, называемых пелагифагами, вирусов, специализирующихся на заражении именно этих бактерий. Эти вирусы, помимо того, что являются самыми распространенными в океане, способны управлять численностью SAR11, играя важнейшую роль в их экологии.

В новом исследовании, проведенном группой ученых из Института морской микробиологии им. Макса Планка, впервые удалось визуализировать и количественно оценить количество SAR11 клеток, инфицированных пелагифагами, в различных экосистемах океана. Используя флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH), ученые не только обнаружили зараженные клетки, но и открыли новый тип клеток, отличающийся отсутствием рибосом, — «зомби"-клетки.

Впервые такие клетки были замечены во время цветения водорослей, когда до 19% SAR11 клеток были инфицированы. В это время наблюдалось резкое, почти 90%, сокращение популяции SAR11 всего за 5 дней. Появление зомби-клеток, хотя и не является единственной причиной этого сокращения, дает представление о том, как вирусы могут влиять на динамику SAR11.

Что же происходит с рибосомами в зомби-клетках? Ученые предлагают несколько гипотез. Одна из них — это антивирусная защита, когда клетка «съедает» собственные рибосомы, чтобы предотвратить синтез вирусных белков. Однако, более вероятным вариантом, по мнению авторов исследования, является «перепрограммирование» клетки вирусом. Пелагифаги могут использовать рибосомы, как источник «строительного материала» для создания новых вирусных геномов.

Важно подчеркнуть, что зомби-клетки были обнаружены не только во время цветения водорослей, но и в образцах воды, взятых из Атлантического, Тихого и Южного океанов. Это говорит о том, что зомби-клетки — не просто редкое явление, а важная часть жизненного цикла пелагифагов.

Данное исследование бросает новый свет на взаимоотношения SAR11 и пелагифагов, подчеркивая значимость вирусной инфекции в регуляции численности этих ключевых морских бактерий. Открытие зомби-клеток не только расширяет наши знания о вирусах и их роли в морских экосистемах, но и открывает новые пути для изучения сложных и непрерывных процессов взаимодействия между микроорганизмами и их вирусами, играющих ключевую роль в биогеохимических циклах нашей планеты.

Почему зомби-клетки были обнаружены именно во время цветения водорослей? Разве это не противоречит гипотезе о том, что SAR11 — медленные и скрытные бактерии?

Цветение водорослей — это период интенсивного роста и размножения SAR11. Повышенная численность бактерий создает благоприятные условия для распространения вирусов. Вирусная инфекция в этот период приводит к «взрыву» численности пелагифагов, что и приводит к появлению большого количества зомби-клеток. То, что SAR11 были обнаружены в большом количестве во время цветения водорослей, не противоречит гипотезе о их медленном росте. Это скорее указывает на то, что они способны быстро размножаться, когда условия становятся благоприятными.

Как «перепрограммирование» клетки вирусом может быть более эффективным, чем «съедание» рибосом как защита?

С точки зрения вируса, «перепрограммирование» клетки более выгодно. Вирус получает доступ к ресурсам клетки, включая рибосомы, чтобы синтезировать новые вирусные частицы. «Съедание» рибосом, как защитный механизм, лишает клетку способности синтезировать белки, в том числе и вирусные. Это делает клетку непригодной для вирусного размножения. С точки зрения эволюции, вирусы, способные «перепрограммировать» клетку, имеют большее преимущество, потому что могут использовать ее ресурсы для своего размножения.

Каким образом обнаружение зомби-клеток может повлиять на наше понимание биогеохимических циклов в океане?

Зомби-клетки представляют собой новый тип клеток, который может влиять на биогеохимические циклы в океане несколькими способами. Во-первых, они могут изменять количество и тип органического вещества, поступающего в океан. Зомби-клетки не способны к синтезу органических веществ, но могут разлагаться, высвобождая органические молекулы в окружающую среду. Это может влиять на пищевые цепи в океане и на глобальные циклы углерода и азота. Во-вторых, зомби-клетки могут влиять на состав и разнообразие микроорганизмов в океане. Вирусная инфекция и появление зомби-клеток могут приводить к изменению соотношения различных групп бактерий, что в свою очередь влияет на функционирование океанских экосистем.