Hebben virussen levende stenen gemaakt?





Breaking down the microbiology world one bite at a time


Hebben virussen levende stenen gemaakt?

Wat is leven? Waar komt het vandaan? Waarom bestaat het? Deze vragen hebben we ons altijd al gesteld. Ten minste, voor zo lang als we kunnen herinneren. Het antwoord op deze en nog meer vragen is misschien wel te vinden in de wereld van de microben.

Microben (virussen, bacteriën, schimmels, protisten) zwerven al over de aarde lang voordat wij onze (ecologische) voetafdruk erop hebben gezet. Doorheen de tijd vormden ze intieme structuren of relaties met elkaar en hebben ze hun wereld zoals wij die nu kennen helpen vormgeven. Veel van deze oude structuren bestaan nog tot op de dag van vandaag en en zijn de sleutel tot de geschiedenis van de aarde en het ontstaan van leven. 

Misschien heb je wel eens gehoord van een van deze structuren: stromatolieten. Ze zien eruit als stenen, maar zijn eigenlijk een van de eerste en meest complexe ecosystemen die ooit hebben bestaan! Het harde uiterlijk van deze ecosystem bezorgde hen de voor de hand liggende bijnaam van ‘levende stenen’. Een stromatoliet is een verharde, gesedimenteerde biofilm. Er wordt gedacht dat dit een van de eerste levensvormen zijn die met het blote oog zichtbaar zijn. Al waren er 3,5 miljoen jaar geleden, toen stromatolieten de aarde domineerden, nog geen ogen om ze te bekijken. 

Een biofilm is een plakkerige en soms slijmerige 3D structuur die microben maken om zichzelf te beschermen, denk hierbij onder andere aan tandplak. Biofilms bestaan uit veel microben en hun gemaakte producten, waaronder ‘extracellulaire polymeren’, dat zijn stoffen die aan de buitenkant van hun cellen worden aangetroffen. We noemen dit een biofilm wanneer deze meerlaagse microbiële structuren zijn gebouwd op een harde ondergrond, maar als ze op sediment zijn gevonden noemen we ze ‘microbiële matten’. 

Microbial mats Yellowstone : Wikicommons

Deze eeuwenoude microbiële matten zijn door de hele geschiedenis heen te vinden, en kunnen veranderen in de harde rotsachtige structuren zoals stromatolieten. Ze bestaan uit bijna elke soort micro-organisme, waaronder protisten, archaea en virussen. NIet alle microbiële matten die ooit zijn ontstaan zijn er nu nog. De chemische en biologische samenstelling van de gemeenschap speelt een grote rol in of de mat verdwijnt of verandert in steen, en zo dus een klein stukje van het verleden bewaard kan blijven. Dus deze ‘levende stenen’ staan op een soort kruispunt tussen biologie, natuurkunde, scheikunde, geologie en microbiologie. Ze kunnen misschien wel de geheimen van het ontstaan van het leven bevatten. Of ze zouden ons op zijn minst wat evolutionaire informatie kunnen bezorgen die we nog missen…

De auteurs van een recent artikel in Trends In Microbiology vroegen zich af hoe een zachte microbiële mat kan veranderen in een harde, rotsachtige structuur. Ze veronderstelden dat deze overgang komt door een groep microben die weinig aandacht krijgt buiten de onze gezondheid: virussen!

Er wordt geschat dat er 15 miljoen verschillende soorten op onze planeet bestaan, waarvan we er nog maar een 2 miljoen van kennen. Ook schat men dat er in een enkele gram aarde 50.000 verschillende soorten microben aanwezig zijn, waarvan de meesten nog niet zijn geïdentificeerd. Deze cijfers zijn duizelingwekkend, maar nog niets in vergelijking met de geschatte hoeveelheid van 10^31 virussen op aarde. Dat is tien keer meer dan de sterren in de hemel! Of jij het nu bent of een microob, een virus kan niet overleven zonder gastheer en daarom kunnen ze constant de gastheer en de omgeving veranderen. Er wordt aangenomen dat virale infecties in oceanen alleen al een omzet van 20%-50% in microbiële biomassa veroorzaken. 

De virale levensstijl is vrij uniek, ze hebben een gastheer nodig om te overleven maar hun eigen overleving leidt vaak tot de dood van de gastheer, waardoor ze worden geforceerd om in een korte tijd een nieuwe plek te vinden. Virussen hebben een aantal manieren ontwikkeld om deze uitdaging aan te gaan. 

  1. Even kort door de bocht genomen zal een virus een cel infecteren, het cel-systeem kapen om zijn eigen virale genoom te kopiëren om vervolgens de cel open laten barsten zodat er veel meer kopieën van het virus worden uitgeworpen om nieuwe cellen te infecteren. Deze virussen worden lytische virussen genoemd. Dit is duidelijk een heel agressief process, dat de gastheer uiteindelijk doodt. 
  2. Een andere manier van overleving voor een virus is om de gastheercel niet kapot te maken maar zichzelf – na het kopiëren-  uit het celmembraan te ‘duwen’ (engels: budding). 
  3. En dan zijn er nog virussen die niet lytisch, maar lysogeen zijn. Deze virale deeltjes kunnen hun genetische code in het genoom van de gastheer verwerken, in plaats van alleen het kopieer-mechanisme te gebruiken.
Lytic and lysogenic cycles: Wikicommons

In elk geval zal de virale gast het gedrag van de gastheer veranderen. En net zoals op een feestje zal de gastheer reageren op deze ongewilde gast. Ze kunnen vijandig worden, hun eetgedrag veranderen of het gedrag op een andere manier veranderen. 

Maar wat heeft deze virale biologie te maken met het ontstaan van leven en in het bijzonder stromatolieten? White, Visscher en Burns veronderstellen dat virussen het gedrag van andere microben hebben gemanipuleerd, en dat dit op zijn beurt heeft geleid tot de transformatie van de zachte matten in harde stromatoliet-structuren. Dit kan heel direct geweest zijn door het metabolisme van de gastheer te veranderen, of meer indirect door resistentie te creëren tegen virussen of lysis activiteiten. 

Laten we het eerst hebben over de indirecte mechanismen, lysis en resistentie. Tijdens lysis worden de cellen opengebroken, waardoor ze als het ware hun genetische maaginhoud naar buiten lekken. Deze stoffen kunnen als voedsel dienen voor andere microben die onderdeel zijn van de microbiële mat. Daardoor worden metabolische processen zoals fotosynthese verhoogd, of kan het de structuur van de biofilm versterken. Zoals ook wij resistent kunnen worden tegen sommige bacteriën, kunnen bacteriën resistent worden tegen bepaalde virussen zodat deze de cellen niet meer kapot kunnen maken. Deze resistentie kan vervolgens leiden tot een verandering in de extracellulaire polymeren, waardoor de algemene structuur van de biofilm dusdanig kan veranderen dat er verstening ontstaat.

De impact van virussen op stromatolieten via directe mechanismen kan op verschillende manieren. Virussen hebben de gewoonte om hun eigen genen in de gastheer te stoppen, maar kunnen ook zelf genen van de gastheer in zich opnemen. Een voorbeeld hiervan zijn vAMGs: genen die de metabolische processen van de gastheer verbeteren en de algehele chemische cyclus van de bacteriën veranderen. Dit kan op zijn beurt de biofilm structuur veranderen. Bijkomstig kunnen virussen genen toevoegen of verwijderen in zowel zichzelf als in de gastheer wat de kans op overleving kan verhogen, waardoor de structuur van de biofilm ook kan veranderen. 

Indirecte en directe mechanismen van virussen op het ontstaan van stromatolieten

Tot dusver was het allemaal erg theoretisch. Is er enig bewijs voor het feit dat virussen een impact hebben op de verandering van een microbiële mat naar een stromatoliet? Ja, we komen in de buurt. Er is een recent artikel door Zhongwu Lan en collega’s, waarin ze claimen dat virussen aanwezig waren in Neoproterozoïcum-stromatolieten afkomstig van het Noord-Chinese Platform. 

We bevinden ons slechts in het beginstadium over het begrijpen van de interacties tussen onze darmen en de microben daarin, maar we zijn nog ver verwijderd van hoe virussen een invloed kunnen hebben op microben. Ik hoop toch wel dat je ziet hoe dynamisch het microbiële leven kan zijn. Het is vervuld van ‘donkere energie’ dat ons eeuwenlang heeft verbaasd, en ons misschien zelfs op een dwaalspoor heeft gebracht over onze visie op de wereld. Hier en daar hebben we misschien verkeerde conclusies getrokken… Zolang de technologie blijft verbeteren, kunnen onderzoekers steeds een stapje dichterbij zetten om deze kleine interacties te begrijpen, en kunnen we misschien ooit de geheimen van ons universum uitleggen!


Link naar het originele artikel: White, Richard Allen et al., Between a Rock and a Soft Place: The Role of Viruses in Lithification of Modern Microbial Mats Trends in Microbiology, 2020

Featured image: Wikicommons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stromatolites_in_Sharkbay.jpg


Vertaald door: Charlotte van de Velde