Under havets yta, ett virus kapar ämnesomsättningen hos den vanligaste organismen på jorden. Det kan vara av intresse för oss ovanför som andas.

Forskare från Rice University analyserade rollen för ferredoxinproteiner som produceras när fag förändrar Prochlorococcus marinus förmåga att lagra kol och motverka växthusgaseffekten från fossilt bränsleförbrukning.

P. marinus är en fotosyntetisk cyanobakterie som främst finns i tropikerna och subtropen, där uppskattningsvis 10-till-27 (en oktiljon) av dem använder solljus för att producera syre och lagrar tillsammans fyra gigaton kol årligen. En del av detta kol ger kritiska råvaror för andra marina organismer.

Men fager är inte deras vänner. Viruset stärker sig genom att stjäla energi som bakterierna producerar från ljus, omprogrammera sitt offer genom för att ändra hur det överför elektroner.

P. marinus och dess kollagringsmekanism är känsliga för temperatur, så det ser på när klimatförändringarna värmer haven och utökar dess räckvidd, sa Ian Campbell, en Rice postdoktoral forskare och huvudförfattare till studien i Journal of Biological Chemistry .

"Tillväxten i denna organisms räckvidd i haven kan öka det totala kol som lagras av dessa mikrober, "sa han." Alternativt virusen som infekterar dessa bakterier kan förändra kolfixering och potentiellt förhindra att gigatoner kol tas ut ur luften årligen, enligt en ny projektion. "

Campbell sa att målet med studien var att utforska olika sätt som virus interagerar med sina värdar. I processen, forskarna upptäckte att fagvakterna kontrollerade elektronflödet i själva värden, återkoppla bakteriens ämnesomsättning. "När viruset infekterar, det stänger produktionen av bakterieproteinerna och ersätter det med sina egna varianter, "sa han." Jag jämför det med att sätta ett annat operativsystem i en dator. "

Forskarna använde syntetisk biologiteknik för att blanda och matcha fag- och cyanobakteriella proteiner för att studera hur de interagerar. En del av studien som leddes av risbiokemisten George Phillips bestämde också för första gången strukturen för ett viktigt cyanofagferredoxinprotein.

"En fag skulle vanligtvis gå in i en cell och döda allt, "sa syntesbiolog av ris, Jonathan Silberg, studiens ledande forskare och chef för universitetets system, Program för syntetisk och fysikalisk biologi.

"Men Ians resultat tyder på att dessa fager etablerar en komplex kontrollmekanism, "sa han." Jag skulle inte säga att de har zombifierat sina värdar, eftersom de tillåter cellerna att fortsätta göra en del av sin egen hushållning. Men de kopplar också in sina egna ferredoxiner, som strömkablar, för att finjustera elektronflödet. "

Istället för att arbeta direkt med cyanofager och P. marinus, Campbell och hans team använde verktyg för syntetisk biologi för att omprogrammera mycket större, bättre förstådda Escherichia coli-bakterier för att uttrycka gener som efterliknade interaktioner mellan de två.

"Att ta en fag och en cyanobakterie från havet och försöka studera biologin, särskilt elektronflöde, skulle vara riktigt svårt att göra genom klassisk biokemi, "Silberg sa." Ian tog bokstavligen partners från både fag och värd, sätta ihop dem genom att koda deras DNA i ett annat cellulärt system, och kunde snabbt utveckla några intressanta resultat.

"Det är en intressant tillämpning av syntetisk biologi för att förstå komplexa saker som annars skulle vara svåra att mäta, " han sa.

Forskarna misstänker proteinet de modellerade i E. coli, Prochlorococcus P-SSM2-fagferredoxin, är inget nytt. "Folk visste att fag kodar för olika saker som gör elektronöverföring, men de visste inte hur de skulle ansluta trådarna mellan fag och värd, "Silberg sa." De visste inte heller mycket om fagens utveckling. Strukturen gör det klart att denna fag kan spåras till specifika förfädersproteiner som är involverade i fotosyntes. "