Så mycket vet vi:När virus infekterar bakterier - en vanlig förekomst i hav, jordar, till och med mänskliga tarmar - resulterar interaktionen i skapandet av helt nya organismer som kallas "viroceller". Men forskare lär sig fortfarande om hur denna sammanslagning av mikrober påverkar och påverkas av deras omgivning.

För fyra år sedan gjorde forskare en överraskande labbupptäckt om havsbakterier som infekterades av två olika virus:Infektionerna resulterade i två mycket olika viroceller vars funktioner helt styrdes av virusbehov snarare än deras bakteriella ursprung.

"Så de fungerar olika trots att det var samma föräldracell. Du fick samma enhet att bli två olika enheter från två olika virus", säger Cristina Howard-Varona, forskare i mikrobiologi vid Ohio State University och den första författare till studien. "Detta är fascinerande, eftersom virusinfektioner händer hela tiden."

Fyndet gjordes under experimentella förhållanden som anses vara bäst för att observera ett tidigare okänt fenomen – som inkluderade höga halter av näringsämnet fosfat i vattnet. Howard-Varona och kollegor har upprepat arbetet i en ny studie under lågfosfathalter som mer liknar den naturliga världen, där havets fickor svälter på näringsämnen.

De fann att dessa verkliga förhållanden gjorde en enorm skillnad i hur virusinfektion påverkade värdbakterierna – så mycket att de två typerna av infekterade celler representeras i tidningen som ett Venn-diagram för att visa funktionerna och egenskaperna som de delar ensamma eller i kombination som ett resultat av deras näringsfattiga miljö.

Studien publicerades nyligen i The ISME Journal .

Poängen med de nya rönen handlar inte bara om hur de två virocellerna beter sig individuellt i ett område med lågt fosfathalt i havet, utan också om hur stor påverkan miljön har på rutinhändelsen med virus som infekterar bakterier.

"När du tömmer bara ett näringsämne har det en drastisk inverkan - det förändrar bilden av infektion även om det är samma cell och samma virus som i den tidigare studien," sa Howard-Varona.

"Så vad skulle hända om vi svälter ut det ännu mer eller om vi tar ut ett annat näringsämne? Detta säger oss att det kommer att bli mycket viktigt att studera celler och viroceller under näringsförhållanden som mer liknar det de möter i naturen."

Forskningen har potential att förbättra storskalig modellering av havsmikrobiella system, som hittills har en tendens att sakna virocellkomponenten, säger Matthew Sullivan, medförfattare till båda studierna och professor i mikrobiologi vid Ohio State.

"Om vi ​​ska förutsäga hur organismer bidrar till havsgeokemin måste vi veta hur cellpopulationer interagerar, hur de får näring från miljön och hur det förändrar sammansättningen av organiskt material som gör cellerna - och hur allt tillsammans bidrar till klimatet. förändring och på havens svar på klimatförändringar", säger Sullivan, också professor i civil-, miljö- och geodetisk teknik och grundare av Ohio State's Center of Microbiome Science.

"Detsamma gäller modellering av mikrober i jordar, som inte heller har en näringsrik miljö, och där vi vet väldigt lite om viroceller och hur de bidrar till hälsan hos rötter och grödor."

I den nya studien fann forskare att de två infekterande virusen hade mycket kontroll över funktioner som dominerade de två resulterande virocellerna.

Virusen, kallade fager, valdes ut för sina mycket olika egenskaper:Den ena är genommässigt mycket lik värdbakterien, så den fokuserade på att återvinna befintliga resurser, och den andra, mindre lika fagen, fick arbeta hårdare för att generera resurser. I båda fallen är målet att få tillgång till energi och maximera att göra virala kopior och så småningom döda värden.

"Men dessa skillnader minskade i lågfosfatmiljön, så de är mindre viktiga - vilket tyder på att miljön kan ha en starkare effekt än de infekterande virusen på hur viroceller beter sig", sa Howard-Varona.

Och sedan fanns det aktiviteter som var gemensamma för båda virocellerna som svar på svälten:aktivera en cellomfattande stressreaktion, få energi från metabolisera fetter snarare än kolhydrater och minska mängden organiskt material som de konsumerar från miljön.

"Varje cell i världen behöver fosfat för att göra DNA och energi, och utan det finns det inget liv, ingen funktion, ingen metabolism," sa Howard-Varona. "Och vad vi har visat är att under dessa förhållanden har viroceller gemensamma drag. De känner av näringsbegränsningen och beter sig mer lika än de gjorde när de växte i en näringsrik miljö.

"Miljön är mycket viktig för virusinfektioner - och så du kan föreställa dig att detta är sant för alla miljöer."

Forskarna kommer att tillämpa mycket av det de har lärt sig från den marina miljön på studier av markviroceller.

Medförfattare inkluderar Azriel Krongauz, Natalie Solonenko, Ahmed Zayed och Subhadeep Paul från Ohio State; co-first författare Morgan Lindback och co-senior författare Melissa Duhaime från University of Michigan; Jane Fudyma och Malak Tfaily vid University of Arizona; William Andreopoulos och Tijana Glavina del Rio från DOE; och Heather Olson, Young-Mo Kim, Jennifer Kyle och Joshua Adkins från Pacific Northwest National Laboratory.

Mer information: Cristina Howard-Varona et al, Environment-specific virocell metabolic reprogramming, The ISME Journal (2024). DOI:10.1093/ismejo/wrae055

Journalinformation: ISME Journal

Tillhandahålls av Ohio State University