Microbiologie in hapklare porties
Overlevingsstrategieën in de diepte
Er lijkt niet veel te overleven in de koude, donkere diepten van de oceaan, tenminste niet voor het menselijk oog. Er zijn echter niet veel omgevingen waar microben geen manier vinden om te overleven. Terwijl onderzoekers weten dat bacteriën kunnen gedijen onder immense druk waar zonlicht niet kan komen, is er minder bekend over hoe virussen het doen op deze diepten.
Koude bronnen zijn oceaanomgevingen en in tegenstelling tot hydrothermale bronnen, die hete temperaturen uitstralen, blijven koude bronnen relatief koel. Bij koude bronnen sijpelen koolwaterstoffen, methaan en andere vloeistoffen uit de aardkorst. Maar ondanks hun ruwe omgeving hebben onderzoekers onlangs een rijke diversiteit aan virussen ontdekt in het sediment van koude bronnen.
Overleven in barre omgevingen is geen sinecure en kan speciale aanpassingen vereisen. Tot voor kort bleven deze aanpassingen een mysterie, maar een nieuwe studie probeerde te begrijpen hoe zoveel verschillende soorten virussen kunnen overleven in koude bronnen. Onderzoekers verzamelden twee verschillende sedimentmonsters van drie verschillende cold seeps in de buurt van China, twee actieve en één waar het leven al lang was uitgestorven. Op basis van hun sedimentmonsters identificeerden ze alle verschillende genetische sequenties en bepaalden ze welke microbiële soorten aanwezig waren.
Om een idee te krijgen van hoe virussen zich aanpasten, keken ze eerst naar de bacteriën in hun monsters. Net zoals wij verkoudheid bestrijden met ons immuunsysteem, hebben bacteriën verschillende systemen ontwikkeld om verschillende virussen te bestrijden. Door te kijken naar de antivirale systemen die aanwezig zijn in de bacteriën die in de cold seep leven, kunnen onderzoekers een idee krijgen van de interacties tussen gastheer en virus die plaatsvinden in de diepten van de oceaan.
Veel van de bacteriesoorten die in de monsters van de koude sijp werden geïdentificeerd, hadden zowel restrictie-modificatiesystemen als CRISPR-Cas-systemen. Restrictie-modificatiesystemen gebruiken speciale eiwitten, restrictie-enzymen genaamd, die viraal DNA opknippen. CRISPR-Cas systemen nemen korte stukjes DNA van binnendringende genetische elementen op in hun eigen genoom, die ze vervolgens kunnen gebruiken om virus-DNA te herkennen en op te knippen met een Cas eiwit. Beide systemen zijn effectief in het afbreken van viraal DNA. Dit betekent dat virussen en bacteriën zelfs op de oceaanbodem met elkaar in contact stonden.
Nu de onderzoekers een idee hebben van hoe bacteriën omgaan met virussen in koude bronnen, wilden ze bepalen hoe de virussen terugvechten. Maar eerst moesten ze erachter zien te komen welke virussen er daadwerkelijk aanwezig waren bij de cold seep sites. Ze vonden een verscheidenheid aan virussen, vergelijkbaar met wat ze in eerdere onderzoeken hadden gezien. Veel van de virussen behoorden tot de klasse Caudoviricetes, fagen met een staart die bacteriën kunnen infecteren. Veel van de geïdentificeerde virussen waren ook lytisch, wat betekent dat ze zich in bacteriën kunnen vermenigvuldigen en deze vervolgens kunnen openbarsten om meer virussen vrij te laten.
Bovendien hadden de geïdentificeerde virussen uitgebreide verdedigingsmechanismen ontwikkeld tegen de antivirale methoden van de bacteriën. Hoewel de bacteriën manieren hadden ontwikkeld om de virussen te bestrijden, ontwikkelden de virussen manieren om terug te vechten. Veel virussen hadden eiwitten die zich binden aan het CRISPR-Cas systeem, waardoor de werking ervan wordt geblokkeerd. Andere virussen hadden speciale enzymen die eiwitten op hun DNA zetten, waardoor ze onherkenbaar werden voor de bacteriën. Sommige virussen waren uitgerust met antitoxines om bacteriële afweersystemen te stoppen. Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat veel van de virussen verschillende metabolische genen hadden ontwikkeld om de koude omgeving te overleven, waarvan ze voorspelden dat ze hun vermogen om te overleven zouden vergroten.
Veel virussen hadden ook manieren om zich snel aan hun omgeving aan te passen. In de virale genomen werden diversiteitsgenererende retro-elementen gevonden. Deze retro-elementen gebruiken iets dat bekend staat als foutgevoelige DNA-synthese. Zoals het klinkt, introduceert dit soort DNA-synthese veel fouten in de nieuwe DNA-streng, die uiteindelijk mutaties in het hele genoom kunnen introduceren. Diversiteit genererende retro-elementen versnellen het evolutieproces door snel veel genetische diversiteit te introduceren.
Toen onderzoekers echter keken naar het genoom van verwante virussen, zagen ze een zeer lage diversiteit. Single nucleotide polymorfismen zijn minuscule variaties tussen DNA-sequenties, waarbij de DNA-bouwsteen is veranderd in een andere bouwsteen. Wetenschappers kunnen bepalen hoe vergelijkbaar verschillende DNA-sequenties zijn door naar de kleine veranderingen te kijken. Bij de geïdentificeerde cold seep virussen werden niet veel single nucleotide polymorfismen gevonden. Dit verschilt van de meeste andere virale gemeenschappen, zoals die op het oceaanoppervlak leven, die een hoge genetische diversiteit hebben.
De grote genetische gelijkenis tussen de virussen zou het gevolg kunnen zijn van de selectieve druk van hun moeilijk leefbare omgevingen. Hoewel de virussen retro-elementen hadden om snel diversiteit te introduceren, wordt elk virus dat mutaties heeft die niet perfect geschikt zijn voor de cold seep waarschijnlijk onkruid verwijderd, waardoor de genetische diversiteit vrij laag blijft.
Het soort virus en de soort die het infecteerde had wel enig effect op de genetische diversiteit van het virus. Virussen die geassocieerd zijn met archaea, eencellige micro-organismen die vaak gekenmerkt worden door hun vermogen om in extreme omgevingen te leven, vertoonden een hogere genetische diversiteit. Bovendien hadden virussen die dieper in het sediment van actieve cold seeps leefden een hogere genetische diversiteit, wat suggereert dat verschillende omgevingen binnen de cold seeps van invloed kunnen zijn op de overlevingsstrategieën van virussen.
Virussen hebben niet alleen een manier gevonden om te overleven in de donkere diepten van cold seeps, maar hebben ook een manier gevonden om te gedijen. Met elke nieuwe ontdekking krijgen onderzoekers een beter begrip van de ongelooflijke aanpassingen die virussen in staat stellen om te floreren in de meest barre omstandigheden.
Link to the original post: Peng, Y., Lu, Z., Pan, D. et al. Viruses in deep-sea cold seep sediments harbor diverse survival mechanisms and remain genetically conserved within species. ISME J 17, 1774–1784 (2023). https://doi.org/10.1038/s41396-023-01491-0
Featured image: Image made by the author with Canva.com
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 