Морские микробы контролируют поток вещества и энергии, необходимых для жизни в океанах. Среди них бактериальная группа SAR11 составляет около трети всех бактерий, обнаруженных в поверхностных водах океана.
Исследование, проведенное исследователями из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене, Германия, теперь показывает, что иногда почти 20% клеток SAR11 заражаются вирусами, что значительно снижает общее количество клеток. Вирусы также могут превращать некогда процветающие бактерии в зомби — явление, наблюдаемое впервые и широко распространенное в океанах. Работа ученых была опубликована в журнале Nature Communications.
Океанские воды, окружающие немецкий остров Гельголанд, представляют собой идеальные условия для изучения весеннего цветения водорослей, которое является предметом исследований Института морской микробиологии Макса Планка с 2009 года.
В предыдущем исследовании ученые Макса Планка наблюдали, как группа бактерий под названием SAR11 растет особенно быстро во время этого цветения. Однако, несмотря на высокие темпы роста, численность SAR11 снизилась примерно на 90% за пять дней. Это говорит о том, что клетки были быстро уничтожены хищниками и/или вирусными инфекциями. Теперь исследователи Макса Планка выяснили, что именно стоит за этим явлением.
«Мы хотели выяснить, вызваны ли низкие уровни SAR11 фагами, то есть вирусами, которые специфически заражают бактерии», — объясняет Ян Брювер, который проводил исследование в рамках своей докторской диссертации. «Ответить на этот, казалось бы, простой вопрос было методологически очень сложно».
Как работает фаговая инфекция? Фаги заражают бактерии, внедряя в них свой генетический материал. Оказавшись там, он размножается и использует бактериальные рибосомы для производства необходимых ему белков. Исследователи из Бремена использовали технологию, которая позволила им «следить» за генетическим материалом фага внутри клетки.
«Мы можем окрасить конкретные гены фага, а затем увидеть их под микроскопом. Поскольку мы также можем окрасить генетический материал SAR11, мы можем одновременно обнаружить инфицированные фагом клетки SAR11», — объясняет Брювер.
Хотя это может показаться простым, низкая яркость и небольшой размер фаговых генов затрудняли их обнаружение исследователями. Тем не менее, тысячи изображений, полученных под микроскопом, были успешно проанализированы, что принесло некоторые интересные новости.
«Мы увидели, что бактерии SAR11 подвергаются массовой атаке фагов», — говорит Брювер. «В периоды быстрого роста, например, связанные с весенним цветением водорослей, почти 20% клеток были инфицированы, что объясняет низкое количество клеток. Таким образом, фаги являются недостающим звеном, объясняющим эту загадку».
К удивлению учёных, изображения раскрыли ещё больше. «Мы обнаружили, что некоторые из инфицированных фагом клеток SAR11 больше не содержат рибосом. Эти клетки, вероятно, находятся в переходном состоянии между жизнью и смертью, поэтому мы назвали их «клетками- зомби», — объясняет Брювер.
Клетки-зомби представляют собой новый феномен, наблюдаемый не только в чистых культурах SAR11, но и в образцах, собранных у берегов Гельголанда. Кроме того, анализ образцов из Атлантического, Южного и Тихого океанов выявил наличие клеток-зомби, что указывает на то, что это явление встречается во всем мире.
«В нашем исследовании клетки-зомби составляют до 10% всех клеток в море. Глобальное распространение клеток-зомби расширяет наше понимание цикла вирусной инфекции», — подчеркивает Брювер. «Мы подозреваем, что в клетках зомби нуклеиновые кислоты, содержащиеся в рибосомах, расщепляются и перерабатываются для создания новой фаговой ДНК».
Брювер и его коллеги предполагают, что не только бактерии SAR11, но и другие бактерии могут быть превращены в зомби. Таким образом, они хотят дополнительно изучить распространение клеток-зомби и их роль в цикле вирусной инфекции.
«Это новое открытие доказывает, что популяция SAR11, несмотря на такое быстрое деление, в значительной степени контролируется и регулируется фагами», — говорит Брювер. «SAR11 очень важен для глобальных биогеохимических циклов, включая углеродный цикл, поэтому их роль в океане должна быть переопределена. Наша работа подчеркивает роль фагов в морской экосистеме и важность микробных взаимодействий в океане».
