Cyanoraptor ligger och väntar och lägger sedan i bakhåll sitt cyanobakteriella byte – fäster sig vid cellväggarna och äter det effektivt inifrån och ut. Cyanoraptor identifierades först i bioskorpor från Sonoranöknen. Kredit:Julie Bethany Rakes
För Arizona State Universitys Ph.D. nyutexaminerade Julie Bethany Rakes, började allt som ett misslyckat experiment som slutade med att bli en effektfull upptäckt för mikrobiologin. Nyligen i Nature Communications , Rakes and Regents professor Ferran Garcia-Pichel rapporterade om en ny bakterie som tär på markcyanobakterier i bioskorpor. I denna publikation beskriver de det nyupptäckta rovdjurets livscykel, attackmekanism och dess ekologiska påverkan.
Bakterier finns överallt och spelar en stor roll för att upprätthålla ekologiska processer runt om i världen. Till exempel, i ökenjorden använder cyanobakterier fotosyntes för att producera energi. I likhet med växter är deras roll i syreproduktion och kvävefixering nyckeln för andra organismers överlevnad. Cyanobakterier bildar samhällen som lever på markytan och bildar bioskorpor. Dessa samhällen ger stora fördelar genom att fånga damm, förhindra erosion och öka näringsämnen och vattennivån i jorden.
Tyvärr, och trots deras roll i att upprätthålla ekosystemen, är cyanobakterier favoritbytet för en nyupptäckt rovdjur:Candidatus Cyanoraptor togatus (C. togatus).
"Det var något som dödade bioskorporna. Det var inte ett virus, och det var inte ett litet djur. Det kunde bara vara en annan bakterie," sa Garcia-Pichel.
Friska cyanobakteriella bioskorpor liknar jord när de är torra, men när de är våta är deras gröna pigmentering synlig; förutom att bioskorpor som har attackerats av Cyanoraptor visar röjningar av cyanobakterier i cirkulära mönster, kända som plack, liknande små älvoringar. På fältet kunde forskare identifiera sjukdomen genom att observera dessa ovanliga plack.
"Jag såg dem först i Casa Grande, AZ och fortsatte sedan den här processen att titta efter regnstormar och omedelbart springa till fältet, ibland körde jag 6 timmar eller mer för att identifiera dem på flera platser i Sonoran- och Chihuahuanöknarna," sa Rakes.
Väl inne i sitt byte stannar Cyanoraptor i bakteriens cytoplasma och börjar replikera – växer och delar sig tills det slutligen dödar bytet och släpper en ny armé av attackceller. Kredit:Julie Bethany Rakes
De arbetade på fältet och i labbet för att isolera de sjukdomsframkallande bakterierna. Efter isolering odlades bakterier och deras livscykel och attackmekanism fastställdes.
I ett tidigt skede sprider sig Cyanoraptor som små sfäriska celler som kallas propagula. Dessa celler växer inte eller delar sig; istället lurar de bara och väntar tålmodigt på sitt byte. När cyanobakterien kommer tillräckligt nära angriper Cyanoraptor, fäster vid bytet och bildar en specialiserad dockningsstruktur, löser upp bytes hudliknande cellvägg och går in i bytescellen.
Cyanoraptors spridningar är konstiga när det gäller bakterier. De har ett yttre fack bundet av två membran. Forskare misstänker att detta fack spelar en nyckelroll i attacken, genom att hålla och sedan frigöra proteiner som bryter ner deras bytes yttre membran och låter det komma in i den försvagade cellkroppen. Detta fack är också hur Cyanoraptor får sitt artnamn, togatus, eftersom de verkar vara insvepta i en mantel eller toga.
Väl inne äter Cyanoraptor bort bytet och växer sig större och större till en korvliknande cell. När det är tillräckligt länge börjar detta rovdjur dela sig i många celler på en gång, så småningom dödar bytet och blir spridningsväxter igen, i väntan på nästa olyckliga offer.
"Det är ett rovdjur som tar sig in i sina bytesceller och äter dem inifrån, vilket är fruktansvärt," sa Garcia-Pichel. "Det är verkligen som en mikrobiell skräckfilm."
När cyanobakterier dör försvinner alla saker som bioskorpor gör för att gynna öknen. Värdefulla egenskaper som kvävecirkulation, dammfångning och fukthållning försämras drastiskt.
ASU doktorand Julie Bethany Rakes märkte först något fel i form av cirkulära mönster som kallas plack, vilket indikerar områden där cyanobakterierna hade försvunnit. Hon fortsatte att undersöka och väntade ofta tills det regnade med att rusa ut till fältet och leta efter de kontrollanta tecknen. Kredit:Julie Bethany Rakes
"I allmänhet betyder detta att det kan få allvarliga konsekvenser för ökenhälsan, färre näringsämnen, mindre stabil jord och vattenretention så en minskning av tiden kan växter och andra organismer vara aktiva. Med förlusten av dessa funktioner kan organismer som är beroende av dessa tjänster, som växter kan drabbas, vilket sedan kan få ytterligare konsekvenser uppåt i näringskedjan, säger Rakes.
Denna betydelsefulla upptäckt hade inte varit möjlig om det inte hade varit för Rakes envishet och hennes vägran att ge efter för vad som först verkade vara ett misslyckande. Lyckligtvis för cyanobakteriernas framtid höll hon ut.
Hennes upptäckt visade också att rovbakterier kan forma strukturen och funktionen hos mikrobiella samhällen runt om i världen, att de inte är bara och intressanta biologiska sällsyntheter.
Denna erfarenhet har gett henne viss visdom att föra vidare till andra doktorander:
"Följ upp de resultat som är oväntade eller till och med verkar vara helt fel," sa hon. "När jag kom på mig själv med att säga "det är konstigt", var det ofta något som jag bara inte förstod ännu. Som Ferran klokt sa till mig:"I experiment kan du inte förklara, mikroberna pratar med dig."
Hela genomet av de nyupptäckta bakterierna kan nås via NCBI-databasen under BioProject PRJNA730811. Rakes och Ferran är knutna till School of Life Sciences och till Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics. Denna undersökning gjordes i samarbete med Shannon Lynn Johnson, en vetenskapsman vid Los Alamos National Laboratory, och även en SOLS doktorand alumn. + Utforska vidare
