Ein tiefes Eintauchen in die 5.500 marinen RNA-Virusarten, die Wissenschaftler vor kurzem identifiziert haben, hat ergeben, dass einige von ihnen dazu beitragen könnten, den aus der Atmosphäre aufgenommenen Kohlenstoff dauerhaft am Meeresboden zu speichern.
Die Analyse deutet auch darauf hin, dass ein kleiner Teil dieser neu identifizierten Arten Gene von Organismen, die sie infiziert haben, „gestohlen“ hat, was den Forschern hilft, ihre mutmaßlichen Wirte und Funktionen in marinen Prozessen zu identifizieren.
Neben der Kartierung einer Quelle grundlegender ökologischer Daten führt die Forschung zu einem besseren Verständnis der überragenden Rolle, die diese winzigen Partikel im Ökosystem des Meeres spielen.
„Die Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von Modellen und für die Vorhersage, was mit dem Kohlenstoff in der richtigen Richtung und in der richtigen Größenordnung geschieht“, sagte Ahmed Zayed, ein Forscher im Bereich Mikrobiologie an der Ohio State University und Mitautor der Studie.
Die Frage des Ausmaßes ist eine ernsthafte Überlegung, wenn man die Weite des Ozeans berücksichtigt.
Der Hauptautor Matthew Sullivan, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University, stellt sich vor, Viren zu identifizieren, die, wenn sie in großem Maßstab entwickelt werden, als steuerbare „Knöpfe“ einer biologischen Pumpe fungieren könnten, die beeinflusst, wie der Kohlenstoff im Meer gespeichert wird.
„Da die Menschen mehr Kohlenstoff in die Atmosphäre einbringen, sind wir auf die enorme Pufferkapazität des Ozeans angewiesen, um den Klimawandel zu verlangsamen. Uns wird immer bewusster, dass wir die Pumpe auf der Ebene des Ozeans einstellen müssen“, sagte Sullivan.
„Wir wären an Viren interessiert, die sich auf einen besser verdaulichen Kohlenstoff einstellen könnten, der es dem System ermöglicht, zu wachsen, immer größere Zellen zu produzieren und zu sinken. Und wenn es sinkt, sind wir noch einige hundert oder tausend Jahre vor den schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels geschützt.
„Ich denke, dass die Gesellschaft im Grunde auf diese Art von technologischer Lösung zählt, aber es ist ein komplexes wissenschaftliches Grundproblem, das es zu entschlüsseln gilt.
Die Studie erscheint heute (9. Juni 2022) online in Science.
Diese RNA-Viren wurden in Planktonproben entdeckt, die vom Tara Oceans Consortium gesammelt wurden, einer laufenden globalen Studie an Bord des Schoners Tara über die Auswirkungen des Klimawandels auf den Ozean. Das internationale Projekt zielt darauf ab, verlässliche Vorhersagen darüber zu treffen, wie der Ozean auf den Klimawandel reagieren wird, indem man sich mit den geheimnisvollen Organismen vertraut macht, die dort leben und einen Großteil der Arbeit leisten, um die Hälfte des vom Menschen verursachten Kohlenstoffs in der Atmosphäre zu absorbieren und die Hälfte des Sauerstoffs zu produzieren, den wir atmen.
Obwohl diese Meeresviren keine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen, verhalten sie sich wie alle Viren, indem sie jeweils einen anderen Organismus infizieren und dessen zelluläre Maschinerie nutzen, um Kopien von sich selbst herzustellen. Obwohl das Ergebnis immer als schlecht für den Wirt angesehen werden kann, können die Aktivitäten eines Virus auch Vorteile für die Umwelt mit sich bringen – zum Beispiel, indem sie helfen, eine schädliche Algenblüte zu bekämpfen.
Der Trick, um herauszufinden, wie sie sich in das Ökosystem einfügen, besteht in der Entwicklung von Computertechniken, mit denen Informationen über die Funktionen von RNA-Viren und deren Wirte aus Genomfragmenten gewonnen werden können, die nach genomischen Maßstäben zunächst sehr klein sind.
„Wir haben uns von den Daten leiten lassen“, sagt der Co-Erstautor Guillermo Dominguez-Huerta, ein ehemaliger Postdoktorand im Labor von Sullivan.
Die statistische Analyse von 44.000 Sequenzen ergab Strukturmuster der Virusgemeinschaft, die das Team nutzte, um die RNA-Virusgemeinschaften vier ökologischen Zonen zuzuordnen: Arktis, Antarktis, gemäßigtes und tropisches Epipelagial (nahe der Oberfläche, wo Photosynthese stattfindet) und gemäßigtes und tropisches Mesopelagial (200-1.000 Meter tief). Diese Zonen stimmen genau mit den Zuordnungen der fast 200.000 marinen DNA-Virusarten überein, die die Forscher zuvor identifiziert hatten.
Dabei gab es einige Überraschungen. Während die Artenvielfalt in wärmeren Regionen in der Nähe des Äquators tendenziell zunimmt und in der Nähe der kälteren Pole abnimmt, zeigte laut Zayed eine netzwerkbasierte ökologische Interaktionsanalyse, dass die Vielfalt der RNA-Virenarten in der Arktis und Antarktis höher war als erwartet.
„Wenn es um die Vielfalt geht, ist den Viren die Temperatur egal“, sagte er. „In den Polargebieten gab es offensichtlich mehr Wechselwirkungen zwischen Viren und zellulärem Leben. Das sagt uns, dass die hohe Vielfalt, die wir in den Polargebieten beobachten, im Wesentlichen darauf zurückzuführen ist, dass mehr Virenarten um denselben Wirt konkurrieren. Wir sehen weniger Wirtsarten, aber mehr Virusarten, die dieselben Wirte infizieren“.
Das Team wandte mehrere methodische Ansätze an, um die wahrscheinlichen Wirte zu ermitteln: Zunächst wurden die Wirte anhand der Klassifizierung der Viren im Kontext des Meeresplanktons abgeleitet, und dann wurden Vorhersagen darüber getroffen, wie die Mengen der Viren und der Wirte „kovariieren“, da ihre Häufigkeit voneinander abhängt. Die dritte Strategie bestand darin, Beweise für die Integration von RNA-Viren in zelluläre Genome zu finden.
„Die Viren, die wir untersuchen, fügen sich nicht selbst in das Genom des Wirts ein, aber viele werden zufällig in das Genom integriert. Wenn das passiert, ist das ein Hinweis auf den Wirt, denn wenn man ein Virussignal in einem Wirtsgenom findet, bedeutet das, dass das Virus irgendwann einmal in der Zelle war“, so Dominguez-Huerta.
Während die meisten dsDNA-Viren Bakterien und Archaeen infizieren, die im Ozean reichlich vorhanden sind, ergab die neue Analyse, dass RNA-Viren vor allem Pilze und mikrobielle Eukaryonten und in geringerem Maße auch Wirbellose infizieren. Nur ein winziger Teil der marinen RNA-Viren infiziert Bakterien.
Die Analyse ergab auch die unerwartete Entdeckung von 72 funktionell unterschiedlichen Stoffwechsel-Hilfsgenen (AMGs), die über 95 RNA-Viren verstreut sind. Diese liefern einige der besten Hinweise darauf, welche Arten von Organismen diese Viren infizieren und welche Stoffwechselprozesse sie umzuprogrammieren versuchen, um die „Herstellung“ von Viren im Meer zu maximieren.
Bei einer weiteren netzwerkbasierten Analyse wurden 1.243 RNA-Virenarten identifiziert, die mit dem Kohlenstoffexport in Verbindung stehen, und – sehr vorsichtig ausgedrückt – 11 davon sind vermutlich an der Förderung des Kohlenstoffexports zum Meeresboden beteiligt. Von diesen wurden zwei Viren, die mit Wirten aus der Familie der Algen in Verbindung stehen, als die vielversprechendsten Ziele für weitere Untersuchungen ausgewählt.
„Die Modellierung geht so weit, dass wir aus diesen groß angelegten genomischen Erhebungen Säcke von Genen nehmen und Stoffwechselkarten erstellen können“, sagte Sullivan, ebenfalls Professor für Bau-, Umwelt- und Geodäsietechnik und Gründungsdirektor des Ohio State Center of Microbiome Science.
„Ich stelle mir vor, dass wir AMGs und diese Viren, von denen man annimmt, dass sie bestimmte Wirte infizieren, nutzen, um diese Stoffwechselkarten in Richtung des von uns benötigten Kohlenstoffs zu verändern. Durch diese Stoffwechselaktivität müssen wir wahrscheinlich handeln.“
Sullivan, Dominguez-Huerta und Zayed sind auch Teammitglieder des EMERGE Biology Integration Institute an der Ohio State.
Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, dem Ohio Supercomputer Center, dem Ohio State’s Center of Microbiome Science, einem Ramon-Areces Foundation Postdoctoral Fellowship, Laulima Government Solutions/NIAID und France Génomique unterstützt. Die Arbeit wurde auch durch die beispiellosen Probenahmen und wissenschaftlichen Arbeiten des Tara Oceans Consortium, der gemeinnützigen Tara Ocean Foundation und ihrer Partner ermöglicht.
Weitere Co-Autoren der Studie sind James Wainaina, Jiarong Guo, Funing Tian, Akbar Adjie Pratama, Benjamin Bolduc, Mohamed Mohssen und Olivier Zablocki, alle aus Sullivans Labor; Jens Kuhn vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases; Alexander Culley von der Université Laval; Erwan Delage, Damien Eveillard und Samuel Chaffron von der Nantes Université; Lionel Guidi von der Universität Sorbonne; Hiroyuki Ogata von der Universität Kyoto; Chris Bowler von der Ecole Normale Supérieure; Eric Karsenti von der Ecole Normale Supérieure und dem Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie der Direktoren; und Eric Pelletier, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain und Patrick Wincker von Genoscope.
Datum: Juni 9, 2022
Quelle: Ohio State University
Journal Reference:
- Guillermo Dominguez-Huerta, Ahmed A. Zayed, James M. Wainaina, Jiarong Guo, Funing Tian, Akbar Adjie Pratama, Benjamin Bolduc, Mohamed Mohssen, Olivier Zablocki, Eric Pelletier, Erwan Delage, Adriana Alberti, Jean-Marc Aury, Quentin Carradec, Corinne da Silva, Karine Labadie, Julie Poulain, Chris Bowler, Damien Eveillard, Lionel Guidi, Eric Karsenti, Jens H. Kuhn, Hiroyuki Ogata, Patrick Wincker, Alexander Culley, Samuel Chaffron, Matthew B. Sullivan. Diversity and ecological footprint of Global Ocean RNA viruses. Science, 2022; 376 (6598): 1202 DOI: 10.1126/science.abn6358