Un'analisi approfondita delle 5.500 specie di virus dell'RNA marino recentemente identificate dagli scienziati ha scoperto che molti possono aiutare a guidare il carbonio assorbito dall'atmosfera allo stoccaggio permanente sul fondo dell'oceano.

L'analisi suggerisce inoltre che una piccola parte di queste specie recentemente identificate ha "rubato" geni dagli organismi che hanno infettato, aiutando i ricercatori a identificare i loro presunti ospiti e le loro funzioni nei processi marini.

Oltre a mappare una fonte di dati ecologici fondamentali, la ricerca sta portando a una comprensione più completa del ruolo enorme che queste minuscole particelle svolgono nell'ecosistema oceanico.

"I risultati sono importanti per lo sviluppo del modello e la previsione di ciò che sta accadendo con il carbonio nella direzione corretta e alla giusta grandezza", ha affermato Ahmed Zayed, ricercatore in microbiologia presso la Ohio State University e co-primo autore dello studio.

La questione della grandezza è una seria considerazione quando si tiene conto della vastità dell'oceano.

L'autore principale Matthew Sullivan, professore di microbiologia all'Ohio State, prevede di identificare i virus che, se progettati su vasta scala, potrebbero funzionare come "manopole" controllabili su una pompa biologica che influenza il modo in cui viene immagazzinato il carbonio nell'oceano.

"Man mano che gli esseri umani immettono più carbonio nell'atmosfera, dipendiamo dall'enorme capacità tampone dell'oceano per rallentare il cambiamento climatico. Stiamo diventando sempre più consapevoli del fatto che potremmo aver bisogno di regolare la pompa sulla scala dell'oceano, " disse Sullivan.

"Saremmo interessati a virus che potrebbero sintonizzarsi su un carbonio più digeribile, che consente al sistema di crescere, produrre cellule sempre più grandi e affondare. E se affonda, guadagniamo altre centinaia o migliaia di anni dal peggio effetti del cambiamento climatico.

"Penso che la società stia fondamentalmente contando su quel tipo di soluzione tecnologica, ma è un problema scientifico fondamentale complesso da risolvere."

Lo studio appare online oggi in Scienza .

Questi virus a RNA sono stati rilevati in campioni di plancton raccolti dal Tara Oceans Consortium, uno studio globale in corso a bordo della goletta Tara dell'impatto del cambiamento climatico sugli oceani. Lo sforzo internazionale mira a prevedere in modo affidabile come l'oceano risponderà ai cambiamenti climatici conoscendo i misteriosi organismi che vivono lì e svolgono la maggior parte del lavoro assorbendo metà del carbonio generato dall'uomo nell'atmosfera e producendo metà dell'ossigeno che respiriamo .

Sebbene queste specie virali marine non rappresentino una minaccia per la salute umana, si comportano come tutti i virus, ciascuno infettando un altro organismo e usando il suo macchinario cellulare per fare copie di se stesso. Sebbene l'esito possa sempre essere considerato negativo per l'ospite, le attività di un virus possono generare benefici per l'ambiente, ad esempio aiutando a dissipare una dannosa fioritura algale.

Il trucco per definire dove si inseriscono nell'ecosistema è stato lo sviluppo di tecniche computazionali in grado di ottenere informazioni sulle funzioni virali dell'RNA e sugli ospiti da frammenti di genomi che, per gli standard genomici, sono inizialmente piccoli.

"Lasciamo che i dati siano la nostra guida", ha affermato il co-primo autore Guillermo Dominguez-Huerta, un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Sullivan.

L'analisi statistica di 44.000 sequenze ha rivelato i modelli strutturali della comunità virale che il team ha utilizzato per assegnare le comunità di virus a RNA in quattro zone ecologiche:epipelagica artica, antartica, temperata e tropicale (la più vicina alla superficie, dove si verifica la fotosintesi) e mesopelagica temperata e tropicale (200- 1.000 metri di profondità). Queste zone corrispondono strettamente alle assegnazioni delle zone per le quasi 200.000 specie di virus del DNA marino che i ricercatori avevano precedentemente identificato.

Ci sono state delle sorprese. Mentre la biodiversità tende ad ampliarsi nelle regioni più calde vicino all'equatore ea scendere vicino ai poli più freddi, Zayed ha affermato che un'analisi di interazione ecologica basata sulla rete ha mostrato che la diversità delle specie virali di RNA era maggiore del previsto nell'Artico e nell'Antartico.

"Quando si tratta di diversità, ai virus non interessa la temperatura", ha affermato. "C'erano interazioni più evidenti tra virus e vita cellulare nelle aree polari. Questo ci dice che l'elevata diversità che stiamo osservando nelle aree polari è fondamentalmente perché abbiamo più specie virali in competizione per lo stesso ospite. Vediamo meno specie di ospiti ma più specie virali che infettano gli stessi ospiti."

Il team ha utilizzato diversi approcci metodologici per identificare i probabili ospiti, prima deducendo l'ospite in base alla classificazione dei virus nel contesto del plancton marino e poi facendo previsioni basate su come le quantità di virus e ospiti "co-variano" perché la loro abbondanza dipende da l'un l'altro. La terza strategia consisteva nel trovare prove dell'integrazione dei virus a RNA nei genomi cellulari.

"I virus che stiamo studiando non si inseriscono nel genoma dell'ospite, ma molti si integrano nel genoma per caso. Quando succede, è un indizio sull'ospite perché se trovi un segnale di virus all'interno del genoma dell'ospite, è perché a un certo punto il virus era all'interno della cellula", ha detto Dominguez-Huerta.

Sebbene sia stato riscontrato che la maggior parte dei virus dsDNA infettano batteri e archei, che sono abbondanti nell'oceano, questa nuova analisi ha rilevato che i virus a RNA infettano principalmente funghi ed eucarioti microbici e, in misura minore, invertebrati. Solo una minuscola frazione dei virus RNA marini infetta i batteri.

L'analisi ha anche prodotto la scoperta imprevista di 72 geni metabolici ausiliari (AMG) distinguibili funzionalmente diversi sparsi tra 95 virus a RNA, che hanno fornito alcuni dei migliori indizi su quali tipi di organismi infettano questi virus e quali processi metabolici stanno cercando di riprogrammare al fine di massimizzare la "fabbricazione" di virus nell'oceano.

Ulteriori analisi basate sulla rete hanno identificato 1.243 specie di virus a RNA collegate all'esportazione di carbonio e, in modo molto prudente, 11 erano implicate nella promozione dell'esportazione di carbonio sul fondo del mare. Di questi, due virus legati agli ospiti della famiglia delle alghe sono stati selezionati come bersagli più promettenti per il follow-up.

"La modellazione sta arrivando al punto in cui possiamo prendere borse di geni da queste indagini genomiche su larga scala e dipingere mappe metaboliche", ha affermato Sullivan, anche professore di ingegneria civile, ambientale e geodetica e direttore fondatore del Center of Microbiome Science dell'Ohio State's Center of Microbiome Science .

"Sto immaginando il nostro uso di AMG e di questi virus che si prevede infettino particolari host per comporre effettivamente quelle mappe metaboliche verso il carbonio di cui abbiamo bisogno. È attraverso quell'attività metabolica che probabilmente dobbiamo agire".

Sullivan, Dominguez-Huerta e Zayed sono anche membri del team dell'EMERGE Biology Integration Institute dell'Ohio State.