Quattro anni fa, gli scienziati hanno fatto una sorprendente scoperta di laboratorio sui batteri oceanici infettati da due virus diversi:le infezioni hanno prodotto due virocellule molto diverse le cui funzioni erano governate interamente dalle esigenze virali piuttosto che dalle loro origini batteriche.

"Quindi funzionano in modo diverso anche se si tratta della stessa cellula madre. La stessa entità è diventata due entità diverse da due virus diversi", ha affermato Cristina Howard-Varona, ricercatrice in microbiologia presso l'Ohio State University e la prima autore dello studio. "Questo è affascinante, perché le infezioni virali si verificano continuamente."

La scoperta è stata fatta in condizioni sperimentali considerate migliori per osservare un fenomeno precedentemente sconosciuto, che includeva alti livelli di fosfato nell’acqua. Howard-Varona e colleghi hanno ripetuto il lavoro in un nuovo studio in condizioni di basso fosfato più simili al mondo naturale, dove le sacche dell'oceano sono prive di nutrienti.

Hanno scoperto che queste condizioni del mondo reale facevano un’enorme differenza nel modo in cui l’infezione virale colpiva i batteri ospiti, tanto che i due tipi di cellule infette sono rappresentati nel documento come un diagramma di Venn per mostrare le funzioni e le caratteristiche che condividono da sole o in combinazione a causa del loro ambiente povero di nutrienti.

Lo studio è stato pubblicato di recente su The ISME Journal .

Il punto delle nuove scoperte non riguarda solo il modo in cui le due virocellule si comportano individualmente in un'area dell'oceano a basso contenuto di fosfato, ma anche l'impatto che l'ambiente ha sull'evento di routine dei virus che infettano i batteri.

"L'esaurimento di un solo nutriente ha un impatto drastico:cambia il quadro dell'infezione anche se si tratta della stessa cellula e degli stessi virus dello studio precedente", ha affermato Howard-Varona.

"Quindi cosa accadrebbe se lo facessimo morire di fame ancora di più o esaurissimo un nutriente diverso? Questo ci dice che sarà molto importante studiare cellule e virocellule in condizioni nutritive che assomigliano di più a quelle che incontrano in natura."

La ricerca ha il potenziale per migliorare la modellizzazione su larga scala dei sistemi microbici oceanici, che ad oggi tende a mancare della componente virocell, ha affermato Matthew Sullivan, co-autore senior di entrambi gli studi e professore di microbiologia presso l'Ohio State.

"Se vogliamo prevedere in che modo gli organismi contribuiscono alla geochimica dell'oceano, dobbiamo sapere come interagiscono le popolazioni cellulari, come ottengono nutrienti dall'ambiente e come ciò cambia la composizione della materia organica che costituisce le cellule, e come tutto insieme contribuisce al clima. cambiamento e alla risposta degli oceani al cambiamento climatico", ha affermato Sullivan, anche professore di ingegneria civile, ambientale e geodetica e direttore fondatore del Center of Microbiome Science dell'Ohio State.

"Lo stesso vale per la modellazione dei microbi nel suolo, che non ha nemmeno un ambiente ricco di sostanze nutritive e dove sappiamo molto poco sulle virocellule e su come contribuiscono alla salute delle radici e dei raccolti."

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che i due virus infettanti esercitavano un ampio controllo sulle funzioni che dominavano le due virocellule risultanti.

I virus, chiamati fagi, sono stati selezionati per le loro qualità molto diverse:uno è molto simile genomicamente al batterio ospite, quindi si è concentrato sul riciclaggio delle risorse esistenti, e l’altro, meno simile, fago ha dovuto lavorare di più per generare risorse. In entrambi i casi, l'obiettivo è accedere all'energia e massimizzare la produzione di copie virali e infine uccidere l'ospite.

"Ma queste differenze sono state ridotte nell'ambiente a basso contenuto di fosfato, quindi sono meno importanti, suggerendo che l'ambiente potrebbe avere un effetto più forte dei virus infettanti sul comportamento delle virocellule", ha detto Howard-Varona.

E poi c'erano attività comuni a entrambe le virocellule in risposta alla fame:attivare una risposta allo stress a livello cellulare, ottenere energia dal metabolizzare i grassi anziché dai carboidrati e ridurre la quantità di materia organica che consumano dall'ambiente.

"Ogni cellula del mondo ha bisogno di fosfato per produrre DNA ed energia, e quindi senza di esso non c'è vita, nessuna funzione, nessun metabolismo", ha detto Howard-Varona. "E quello che abbiamo dimostrato è che in queste condizioni, le virocellule hanno punti in comune. Percepiscono la limitazione dei nutrienti e si comportano in modo più simile rispetto a quando crescevano in un ambiente ricco di nutrienti.

"L'ambiente è molto importante per le infezioni virali, quindi puoi immaginare che questo sia vero per ogni ambiente."

I ricercatori applicheranno gran parte di ciò che hanno imparato dall'ambiente marino agli studi sulle virocellule del suolo.

I coautori includono Azriel Krongauz, Natalie Solonenko, Ahmed Zayed e Subhadeep Paul dell'Ohio State; il co-primo autore Morgan Lindback e la co-autrice senior Melissa Duhaime dell'Università del Michigan; Jane Fudyma e Malak Tfaily dell'Università dell'Arizona; William Andreopoulos e Tijana Glavina del Rio del DOE; e Heather Olson, Young-Mo Kim, Jennifer Kyle e Joshua Adkins del Pacific Northwest National Laboratory.