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Viren, die Bakterien mit helfender Hand betrügen
Wissenschaftler, die Meeresorganismen erforschen, haben etwas erlebt, das sie noch nie zuvor gesehen haben. Ein Meeresvirus, das bestimmte photosynthetische Bakterien dazu bringt, es ins Innere gelangen zu lassen, weil es scheinbar eine "helfende Hand" bietet, indem es ihnen Ressourcen bringt, die ihnen helfen, Phosphor zu gewinnen, einen Nährstoff, dem sie verzweifelt fehlen. Sobald es sich im Inneren befindet, verwendet der Virus die zellularen Ressourcen des Hosts, um sich selbst zu replizieren. Etwa zehn Stunden später explodieren die Wirtszellen und geben die viralen Nachkommen zurück in den Ozean.
Qinglu Zeng und Sallie "Penny" W. Chisholm vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA, berichten über ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 24 Aktuelle Biologie.
Das klingt zunächst nach alten Nachrichten: Wir wissen bereits, dass Viren in Wirtszellen eindringen und ihre Ressourcen plündern, um sich zu replizieren. Aber was ist neu an dieser Entdeckung ist, dass der Virus oder Phage, trägt genetisches Material, von früheren Hosts kooptiert, die den neuen Wirt in die Verwendung seiner eigenen Maschinerie, um die Gene zu aktivieren, die die Samen ihrer Zerstörung säen aktivieren.
Weil die Bakterien in einer Phosphor-verhungerten Region des Ozeans leben, werden sie gestresst, Phosphor ist für sie lebenswichtig. Dies bringt ihre phosphoreszierenden Maschinen auf Hochtouren, und es ist diese erhöhte Ausrüstung, die das Virus zu spüren und die Bakterien dazu verleitet, das Angebot einer "helfenden Hand" bakterieller Gene zu akzeptieren, die fast identisch mit denen des angetroffenen Wirts sind. Mit den neu erworbenen Genen kann der Wirt dann mehr Phosphor aufnehmen.
Dieser Vorgang wurde noch nie zuvor in einer Virus-Bakterien-Beziehung beschrieben.
"Dies ist die erste Demonstration eines Virus jeglicher Art - selbst solche, die in der biomedizinischen Forschung intensiv untersucht wurden -, die diese Art von regulatorischer Maschinerie in einer Wirtszelle ausnutzt", sagte Chisholm der Presse.
Chisholm, ein Professor für Zivil- und Umwelttechnik (CEE) und Biologie am MIT, sagte, der Prozess sei "als Reaktion auf den extremen Selektionsdruck der Phosphorlimitierung in vielen Teilen der Weltmeere entstanden".
Für ihre Studie verwendeten die Autoren Prochlorococcus und sein enger Verwandter, Synechococcus. Zusammen produzieren diese zwei Bakterien etwa ein Sechstel des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre. Sie sind reichlich in Meerwasser.
Die Viren, die sie angreifen, werden Cyanophagen genannt: Sie sind noch häufiger vorhanden.
Der bakterielle Mechanismus, auf den sich die Forscher konzentrierten, ist das Zwei-Komponenten-Regulationssystem, das es der Mikrobe ermöglicht, auf das, was um sie herum geschieht, zu reagieren. Das System veranlasst den Organismus, zusätzliche Proteine ??herzustellen, die an Phosphor binden und es in die Zelle transportieren.
Das Virus oder der Phage hat ein Gen erworben, das für dasselbe Protein kodiert.
Zeng sagte, sowohl der Phage als auch sein bakterieller Wirt hätten die Gene, die für die Proteine ??kodieren, die an den Phosphor binden und diesen in die Zelle befördern, und in ihrer Studie fanden sie heraus, dass das Zweikomponenten-Regulationssystem des Wirts beide hochregulieren kann.
"Die positive Seite der Infektion für Bakterien ist, dass sie mehr Phosphatbinder aus dem Phagen und vielleicht mehr Phosphor erhalten, obwohl die Bakterien absterben und der Phage den Phosphor für seine eigenen Zwecke nutzt", sagte Zeng.
Die Autoren schlagen vor, dass ihre Ergebnisse zeigen, dass der Phage und die Wirtsbakterien sich Seite an Seite entwickelt haben.
David Shub ist Professor für biologische Wissenschaften an der State University von New York in Albany und war nicht an der Studie beteiligt. Er sagte, dass die Viren Gene für einen Stoffwechselweg von ihren Wirtszellen genommen haben und dass die Autoren:
"... gezeigt, dass diese bestimmten viralen Gene durch die Menge an Phosphat in ihrer Umgebung reguliert werden, und auch, dass sie die regulatorischen Proteine ??verwenden, die zum Zeitpunkt der Infektion bereits in ihren Wirtszellen vorhanden sind. Die Bedeutung dieses Papiers ist die Offenbarung eines sehr enge evolutionäre Wechselbeziehungen zwischen diesem bestimmten Bakterium und den Viren, die es zerstören wollen. "
Chisholm sagte, ihre Ergebnisse seien ein weiterer Beweis für die "unglaubliche Intimität der Beziehung von Phage und Wirt".
Sie und ihre Kollegen planen nun, die Funktionen anderer Gene zu erforschen, die sich die Phagen aus Wirtszellen angeeignet haben. Dies könnte weitere Einblicke in den Selektionsdruck geben, der diese Phagen-Wirt-Wechselwirkungen in den offenen Ozeanen antreibt.
"Das meiste, was wir über Phagen und Bakterien verstehen, stammt von Modellmikroorganismen, die in der biomedizinischen Forschung verwendet werden. Die Umwelt des menschlichen Körpers unterscheidet sich dramatisch von der der offenen Ozeane, und diese ozeanischen Phagen haben uns viel über grundlegende biologische Prozesse zu lehren." sagte Chisholm.
Mittel der Gordon und Betty Moore Foundation, des CMORE-Programms der National Science Foundation und des Programms für biologische Meeresforschung sowie des US-Energieministeriums trugen zur Finanzierung der Studie bei.
Geschrieben von Catharine Paddock
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