Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Стратегия атаки бактериофага-новичка SI01
Знаете ли вы, что водоросли производят 50% мирового кислорода с помощью фотосинтеза? Активное сотрудничество водорослей и бактерий в океане является ключом к круговороту углерода в морях и океанах. Бактерии обеспечивают водоросли неорганическими питательными веществами, в то время как водоросли доставляют бактериям органический углерод. Постоянное взаимодействие между ними, сформированное либо ими самими, либо окружающей средой, является крайне динамичным и особенно для тех, кто интересуется тайнами морей и изучением морской биогеохимии.
Однако, не стоит думать, что все водоросли выглядят как пена на поверхности воды; красоту некоторых из них можно познать только через «око» микроскопа. Диатомовые водоросли, например, широко известны как «живые опалы». Это единственные организмы, клеточные стенки которых украшены замысловатыми и яркими узорами из прозрачного и опалового кремнезема. Thalassiosira pseudonana является диатомовой водорослью и используется в качестве модельного организма и для исследований взаимодействия водорослей с организмами, такими как бактерии.
https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Thalassiosira_pseudonana
Как и все взаимодействия между водорослями и бактериями, существующие с начала эволюции, диатомовая водоросль Thalassiosira pseudonana тесно связана с гетеротрофными бактериями (бактериями, которые используют органический углерод в качестве пищи), чтобы в последующем создать биопленку.
А как вам такой забавный факт: по оценкам, вирусы ежедневно разрушают около 20% микробной биомассы в океанах. Лизируя бактерии, они оказывают влияние на уровень бактерий, либо полностью устраняя их, либо регулируя их количество. Благодаря этому бактериофаги регулируют взаимодействие водорослей и бактерий в биопленках как напрямую, так и косвенно, поскольку часто именно бактерии оказывают негативное влияние на рост диатом.
Лизис происходит в областях, называемые фикосферы. Они представляют собой области с большими концентрациями питательных веществами, где происходит скопление клеток водорослей и взаимодействие этих водорослей с бактериями. Поскольку фикосфера имеет более высокий микробный уровень, чем окружающая ее вода, эта область более восприимчива к лизису вирусами.
Интересно, что в фикосфере несколько специфических бактериальных линий преобладают над водорослями. Эти бактерии активно вступают в симбиотические химические взаимодействия, тем самым влияя на распространение водорослей.
В фикосфере бактериальные клетки распадаются под воздействием бактериофагов. Это приводит к увеличению содержания как органических, так и неорганических питательных веществ. Следовательно, микробиота морской среды меняется, поскольку микробиом, который не оказался под влиянием инфекции, увеличивается в размере, и водоросли получают больший доступ к питательным веществам.
В 2022 году группа ученых из Китая исследовала взаимодействие между тремя организмами: диатомовой водорослью Thalassiosira pseudonana, бактерией Stappia indica SNL01 и бактериофагом SI01.
В ходе изучения микроорганизмов исследователи поняли, что среди всех гетеротрофных бактерий, связанных с диатомовыми водорослями Thalassiosira pseudonana, бактерия Stappia indica SNL01 имеет самую крепкую связь. Они обнаружили, что именно эта бактерия ингибирует рост диатомовых водорослей, образуя биопленку. Они отметили, что данный вид бактерий нельзя уничтожить только с помощью механической обработки и лечения антибиотиками.
Бактериальный род Stappia хорошо известен своими уникальными и функционально важными генами. Например было обнаружено, что ризобактиноподобный сидерофор для удаления железа способствует взаимодействию бактерии с водорослями.
В своем исследовании ученые выделили новый бактериофаг SI01 из прибрежной морской воде в Циндао (Китай). Они сфокусировали свое внимание именно на этом фаге из-за его способности воздействовать на Stappia indica SNL01. Было обнаружено, что вирус может противодействовать эффекту ингибированию роста водорослей, «лизируя» или разрушая бактериальные клетки, впоследствии предотвращая образование биопленки. В конечном итоге, это способствует росту диатомовых водорослей. Поскольку бактерии и водоросли очень тесно связаны между собой внутри биопленок, регуляция фагами может сильно влиять и на жизнедеятельность диатомовых водорослей.
Бактериофаг SI01 — новый представитель вирусного семейства Podoviridae (обнаружен в ходе филогенетических исследований). Как и у всех ранее изученных представителей, у этого бактериофага отсутствуют липиды в капсидах. Он содержит множество генов лизиса, таких как мурамидаза (для лизиса клеточной стенки), SleB (для лизиса самого внешнего защитного слоя бактериальных спор, называемого кортекс) и деполимеразоподобный белок хвостового отростка (для облегчения связывания и переваривания капсул путем адсорбции на клеточной поверхности).
Через вирионы, атакующие клеточную стенку, лизоцимы и мурамидазы предотвращают агрегацию бактерий, их соединение, и последующее образование биопленок. В частности, мурамидаза уменьшает вероятность соединения бактерий в биопленку.
Белок SleB разрушает кортекс бактериальных спор. Таким образом, присутствие SleB и подобных белков в бактериофагах помогает проникать в спящие бактериальные популяции внутри биопленки.
Белки-деполимеразы или белки хвостовых отростков/волокон характерны для вирусов семейства Podoviridae. Они способны расщеплять бактериальные полисахариды: капсульные полисахариды (КПС), экзополисахариды (ЭПС) и/или липополисахариды (ЛПС), которые являются основными компонентами биопленок. Наличие этих белков у фага SI01 позволяет ему с высокой эффективностью лизировать биопленку бактерии Stappia indica SNL01.
Удивительно, но, несмотря на свою вирулентную природу, в геноме фага SI01 отсутствуют тРНК. Это интересное наблюдение, так как это противоречит предыдущему предположению о том, что молекулы тРНК необходимы для вирулентности.
Когда ученые произвели заражение бактерии Stappia indica SNL01 бактериофагом SI01 на чашке с агаром, они наблюдали прозрачные пятна размером от 0,5 до 1 мм в течение 12 часов после инокуляции, что указывает на лизис бактерий. Благодаря этому они пришли к выводу, что бактериофаг SI01, действительно, способствует росту диатомовых водорослей Thalassiosira pseudonana посредством разрушения бактериальных клеток.
Было замечено, что при более высоких концентрациях фага эффект ингибирования роста водорослей был подавлен после введения вируса в систему Thalassiosira pseudonana-S. indica SNL01 (взаимодействие, напоминающее биопленку).
Следующим шагом был анализ интенсивности хлорофилла в диатомовых водорослях, которая зависит от численности водорослей в море. Ученые пришли к выводу, что Stappia indica SNL01 останавливает рост диатомовых водорослей Thalassiosira pseudonana при более высоких концентрациях (от 106 до 107 клеток мл-1), как показано на изображении ниже (фиолетовые и зеленые линии на графике А – интенсивность хлорофилла падает; график B – интенсивность хлорофилла увеличивается).
Изображение 5: График интенсивности хлорофилла: Влияние S. indica SNL01 на диатомовую водоросль T. pseudonana. (а) В отсутствии бактериофага SI01 (Группа I) и (b) В присутствии бактериофага SI01 (Группа II). Справка указывает на начальную концентрацию SNL01 для каждой группы. Начальная концентрация диатомовых водорослей во всех группах не изменялась (105 клеток/мл-1), в то время как у фага в Группе II значение множественности заражения составляла 10. Контроль для группы I состоял только из T. pseudonana, и контроль для группы II содержал T. pseudonana и бактериофаг SI01. Источник: Shailesh Nair et al., 2022.
Чтобы лучше понять цикл и темп роста бактериофага SI01, было проведено отдельное исследование по его выращиванию. Этот эксперимент помог понять продолжительность роста фаз вируса, и помог проанализировать общую картину заражения бактерии Stappia indica SNL01. Результаты показали, что вирус имел более длительный латентный период (120 минут) по сравнению с другими морскими фагами Podoviridae, за которым последовал длительный период усиленного роста (около 150 минут). Длительный период роста и размер вируса, то есть продолжительность и количество вирионов, продуцируемых инфицированными бактериальными клетками, отразили его высокую способность к инфекции.
Подводя итог, можно сказать, что бактериофаг SI01 подает большие надежды в области морской микробиологии. Данные исследования, безусловно, способствуют лучшему пониманию влияния фаговой инфекции на ранее неизученные взаимодействие между водорослями и бактериями в океанах. Его способность легко адаптироваться к колебаниям сезонных и географических изменений делает вирус заманчивым фокусом для будущих вирусологических исследований.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Shailesh Nair et al (2022). A Novel Phage Indirectly Regulates Diatom Growth by Infecting a Diatom-Associated Biofilm-Forming Bacterium. Applied and Environmental Microbiology, American Society for Microbiology Journal, 88(5). Doi: https://doi.org/10.1128/aem.02138-21
Изображение: Made with BioRender.com and icons created by ultimatearm and Nikita Golubev available on flaticon.
micro-bites.org 