Marina mikrober kontrollerar flödet av materia och energi som är avgörande för livet i haven. Bland dem står bakteriegruppen SAR11 för ungefär en tredjedel av alla bakterier som finns i ytvatten.
En studie av forskare från Max Planck Institute for Marine Microbiology i Bremen, Tyskland, avslöjar nu att ibland är nästan 20 % av SAR11-cellerna infekterade av virus, vilket avsevärt minskar det totala cellantalet. Virusen kan också omvandla dessa en gång blomstrande bakterier till zombies, ett fenomen som observeras för första gången och är utbrett i haven. Verket publiceras i tidskriften Nature Communications .
Havsvattnen som omger den tyska ön Helgoland utgör en idealisk miljö för att studera vårens algblomning, ett fokus för forskning vid Max Planck Institute for Marine Microbiology sedan 2009.
I en tidigare studie observerade Max Planck-forskarna en grupp bakterier som kallas SAR11 som växer särskilt snabbt under dessa blomningar. Trots deras höga tillväxttakt minskade dock förekomsten av SAR11 med ungefär 90 % under fem dagar. Detta tyder på att cellerna snabbt decimerades av rovdjur och/eller virusinfektioner. Nu har Max Planck-forskarna undersökt exakt vad som ligger bakom detta fenomen.
"Vi ville ta reda på om det låga antalet SAR11 orsakades av fager, det vill säga virus som specifikt infekterar bakterier", förklarar Jan Brüwer, som genomförde studien som en del av sin doktorsavhandling. "Att svara på denna till synes enkla fråga var metodologiskt mycket utmanande."
Hur fungerar faginfektion? Fager infekterar bakterier genom att införa deras genetiska material i dem. Väl där replikerar den och använder de bakteriella ribosomerna för att producera de proteiner den behöver. Forskare från Bremen använde en teknik som gjorde det möjligt för dem att "följa" fagens genetiska material inuti cellen.
"Vi kan färga de specifika faggenerna och sedan se dem under mikroskopet. Eftersom vi också kan färga det genetiska materialet i SAR11 kan vi samtidigt upptäcka faginfekterade SAR11-celler", förklarar Brüwer.
Även om detta kan verka enkelt, gjorde den låga ljusstyrkan och den lilla storleken på faggenerna det utmanande för forskare att upptäcka dem. Ändå analyserades tusentals mikroskopbilder framgångsrikt, vilket gav några spännande nyheter.
"Vi såg att SAR11-bakterier är under massiv attack av fager", säger Brüwer. "Under perioder av snabb tillväxt, som de som är förknippade med vårens algblomning, var nästan 20 % av cellerna infekterade, vilket förklarar det låga cellantalet. Så fager är den felande länken som förklarar detta mysterium."
Till forskarnas förvåning avslöjade bilderna ännu mer. "Vi upptäckte att några av de faginfekterade SAR11-cellerna inte längre innehöll ribosomer. Dessa celler befinner sig förmodligen i ett övergångstillstånd mellan liv och död, så vi kallade dem "zombieceller", förklarar Brüwer.
Zombieceller representerar ett nytt fenomen som observerats inte bara i rena SAR11-kulturer utan även i prover som tagits utanför Helgoland. Dessutom avslöjade analys av prover från Atlanten, södra oceanen och Stilla havet förekomsten av zombieceller, vilket indikerar att detta fenomen förekommer över hela världen.
"I vår studie utgör zombieceller upp till 10 % av alla celler i havet. Den globala förekomsten av zombieceller breddar vår förståelse av virusinfektionscykeln", betonar Brüwer. "Vi misstänker att nukleinsyrorna i ribosomerna i zombieceller bryts ner och återvinns för att skapa nytt fag-DNA."
Brüwer och hans kollegor antar att inte bara SAR11-bakterier, utan även andra bakterier, kan förvandlas till zombies. Därför vill de ytterligare undersöka fördelningen av zombieceller och deras roll i virusinfektionscykeln.
"Det här nya fyndet bevisar att SAR11-populationen, trots att de delar sig så snabbt, är massivt kontrollerad och reglerad av fager", säger Brüwer.
"SAR11 är mycket viktig för globala biogeokemiska kretslopp, inklusive kolcykeln, därför måste deras roll i havet omdefinieras. Vårt arbete belyser fagernas roll i det marina ekosystemet och vikten av mikrobiella interaktioner i havet."
Mer information: Jan D. Brüwer et al, Globalt förekommande pelagifaginfektioner skapar ribosomberövade celler, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48172-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Max Planck Society
