Microbiologie in hapklare porties
Aanvalsstrategie 101 van de debuterende faag SI01
Wist je dat algen 50% van alle zuurstof op Aarde produceren door fotosynthese? Algen werken nauw samen met de bacteriën in de oceaan en vormen zo de zee-koolstofcyclus. De bacteriën voorzien de algen vooral van anorganische stoffen om te kunnen groeien, en in ruil daarvoor geven de algen organische stoffen aan de bacteriën. De constante interactie tussen deze twee, afhankelijk van henzelf en/of de omgeving, is dynamisch en interessant. Vooral voor degenen die geïnteresseerd zijn in het leren over de zee en het ontdekken van de biochemie daarin.
Niet alle algen zien er uit als viezigheid/schuim op het water: sommige zijn mooi om naar te kijken, vooral door de ‘ogen’ van de microscoop. Bijvoorbeeld diatomen, die normaal bekend staan als “levende opalen” of kristalwieren. Ze zijn de enige alg met een celwand versierd met gedetailleerde en opvallende patronen van transparant en opaalachtige silica. Thalassiosira pseudonana is zo’n diatoom en is een geliefd modelorganisme voor algen studies, inclusief interactiestudies met andere organismen zoals de bacterie.
Zoals alle alg-bacterie interacties die vanaf het begin van evolutie bestaan, werkt Thalassiosira Pseudonana samen met een heterotrofe bacterie (bacterie die organische stoffen als voedsel gebruiken) om een biofilm te vormen.
Fun fact: virussen doden dagelijks ongeveer 20% van de microbiële biomassa in de oceanen en beïnvloeden zo de bacteriële sterftecijfers Hierdoor reguleren de virussen – ook wel fagen genoemd- de alg-bacterie interacties in biofilms direct en indirect, omdat die bacteriën vaak de groei van diatomen negatief beïnvloeden.
Faag lysis (het kapot maken van bacteriën door fagen) vindt plaats in de omgeving om de algencellen heen, genaamd de fycosfeer. Deze is zeer rijk aan voedingsstoffen waardoor interacties tussen algen en bacteriën wordt bevorderd. Omdat de fycosfeer meer microben bevat dan het omliggende water is het vatbaarder voor lysis door virussen.
Verrassend is dat de fycosfeer vaak “bewoond” wordt door een paar specifieke bacteriesoorten. Deze bacteriën vormen snel symbiotische chemische interacties met de gastheer-algen en beïnvloeden daardoor de algengroei.
In de fycosfeer vallen bacteriecellen uiteen nadat ze het doelwit zijn geworden van fagen. Dit leidt tot een verhoogd gehalte van organische en anorganische voedingsstoffen in de omgeving. Hierdoor verandert de microbiota van de zee omgeving, omdat de niet- (door fagen) geïnfecteerde microben een boost krijgen en de aanwezige algen meer toegang hebben tot voedingsstoffen in de omgeving.
In 2022 onderzocht een groep onderzoekers in China de interacties tussen drie organismen: het diatoom Thalassiosira Pseudonana, de bacterie Stappia indica SNL01 en de faag SI01.
Tijdens hun onderzoek realiseerden de onderzoekers dat uit alle heterotrofe bacteriën geassocieerd met Thalassiosira Pseudonana, de bacterie Stappia indica SNL01 het nauwst verbonden was met het diatoom. Ze ontdekten dat deze bacterie vooral de groei van de diatomen remde door een biofilm te vormen, en ze waren verrast dat deze bacterie niet zomaar gedood kon worden met mechanische en antibiotische behandelingen.
De bacteriesoort Stappia is bekend door zijn unieke en functioneel belangrijke genen in zijn repertoire. Een voorbeeld hiervan is het gen voor rhizobactinachtige siderofoor (gebruikt voor opslag van ijzer), die de bacteriële interactie met algen bevorderd.
In hun onderzoek isoleerden onderzoekers een nieuwe faag – SI01 – uit zeewater verzameld bij de kust van Qingdao (China). Ze selecteerden deze faag omdat zijn doelwit de bacterie Stappia indica SNL01 kan zijn. De faag werkt de remming van de groei van Stappia indica tegen door de bacterie af te breken, en er zo voor te zorgen dat er geen biofilm ontstaat. Dit bevordert uiteindelijk de groei van de diatomen indirect. Omdat de bacteriën en gastheer-algen onderling nauw verbonden zijn in biofilms, kan regulatie door fagen ook de gastheer-algen (diatoom) beïnvloeden.
Faag SI01 is een nieuw lid van de virusfamilie Podoviridae (ontdekt door fylogenetische onderzoeken). Net als alle andere leden van de Podoviridae, ontbreken bij deze faag vetten in de eiwitmantel. Ze bevatten meerdere lysis genen zoals muramidase (om celwanden af te breken), SIeB (om de buitenste beschermende laag van bacteriesporen genaamd de cortex af te breken) en depolymerase-achtige staart spike-eiwit (om binding en vertering van capsules makkelijker te maken).
Door virionen (het hele virus) die de celwand aanvallen, beïnvloeden muramidases en lysozymen de opeenhoping, adhesie en biofilm formatie van bacteriën op een negatieve manier. Muramidase vermindert vooral de adhesie in biofilms.
Het SIeB eiwit breekt de cortex van bacteriële sporen af. Dus de aanwezigheid van SIeB en vergelijkbare eiwitten in fagen helpt bij het doorbreken van sluimerende bacteriepopulaties in de biofilmomgeving.
Depolymerase eiwitten of de staart spike/vezel eiwitten zijn karateristiek voor de Podoviridae virussen. Die zijn in staat om bacteriële polysaccharides te splijten: polysaccharides in de eiwitmantel (CPS), exopolysaccharides (EPS) en/of lipopolysaccharides (LPS), allen hoofdbestanddelen van biofilms. Deze eiwitten in faag SI01 kunnen biofilms van de bacterie Stappia indica SNL01 met veel efficiëntie afbreken.
Verrassend is dat ondanks zijn kwaadaardige natuur het genoom van faag SI01 geen tRNA’s bevat. Dit is fascinerend omdat dit de aanname dat deze moleculen (tRNA’s) nodig zijn voor virulentie tegenspreekt.
Wanneer de wetenschappers faag SI01 en Stappia indica SNL01 kweekten op een zachte agar plaat, zagen ze binnen 12 uur heldere stippen van 0.5 mm – 1 mm h,die bacteriële lysis indiceren. Hierdoor leidden ze af dat faag SI01 inderdaad de groei van Thalassiosira Pseudonana bevorderde met behulp van bacteriële lysis zoals bewezen door de resultaten.
Wat opviel was dat bij hogere concentraties van de faag het groei-remmende effect van de bacterie Stappia indica ook werd onderdrukt, wanneer de faag geïntroduceerd werd aan het interactiesysteem van Thalassiosira Pseudonana en S. indica SNL01 (dat lijkt op een biofilm).
Later in het onderzoek analyseerden ze de intensiteit van het chlorophyl in het diatoom omdat dit samenhangt met de hoeveelheid algen in de zee. Uit de verkregen data concludeerden ze dat Stappia indica SNL01 de groei van diatoom Thalassiosira Pseudonana remt bij hogere concentraties (106 tot 107 cellen per mL) zoals te zien is in de afbeelding hieronder (kijk naar de groene en paarse lijn in grafiek a waarin de chlorophyl intensiteit afneemt en grafiek b waar de chlorophyl intensiteit toeneemt).
Om de groeicyclus van virus SI01 beter te begrijpen was een one-step growth experiment uitgevoerd. Dit experiment hielp bij het bepalen van hoe lang de verschillende fases van het virus duren en het experiment hielp ook bij het analyseren van het infectiepatroon van fage SI01 in Stappia indica SNL01. De resultaten tonen aan dat het virus een langere latente periode (120 min) had vergeleken met andere Podoviridae fagen in de zee, gevolgd door een consistente lange burst periode (150 min). De lange burst periode en de grootte van het virus, de duur en de hoeveelheid virionen geproduceerd door de geïnfecteerde bacteriecellen, hangen samen met de hoge besmettelijkheid van het virus.
In het kort is faag SI01 een echte bloeiende debutant in het veld mariene microbiologie. De isolatie ervan en de onderzoeken die ermee zijn uitgevoerd hebben zeker geholpen in het beter begrijpen van de impact van virusinfectie op de algen-bacterie relaties in de oceaan (die voorheen slecht begrepen werden). Het vermogen van de faag om zich makkelijk aan te passen aan schommelende seizoens- en geografische veranderingen door zijn aangeboren stabiele pH en temperatuur maakt dit virus een interessant mysterie om in de virologie te onderzoeken.
Link to the original post: 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
Featured image: Made with BioRender.com and icons created by ultimatearm and Nikita Golubev available on flaticon.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 