Atskleisti paslėpti milžinai: naujas proveržis jūrų virusologijos srityje

Paslėptų milžinų atskleidimas: jūrinės virologijos proveržis

Naujausias tyrimas atskleidė daugiau nei 230 iki šiol nežinomų milžiniškų virusų, tūnančių vandenynų gelmėse, iš esmės keičiant mūsų supratimą apie jūrų ekosistemas. Šie didžiuliai virusai, paskelbti žurnale Nature npj Viruses, ne tik veikia vandenynų mikrobinį gyvenimą. Jie geba keisti ir trikdyti fotosintezės procesą jūrų dumbliuose – o tai itin svarbu vandens maisto grandinėms ir pasauliniam anglies apytakos ratui.

Mokslinis kontekstas: kas yra milžiniški virusai ir kodėl jie svarbūs?

Milžiniški virusai (dar vadinami NCLDV – nukleocitoplazminiai dideli DNR virusai) gerokai skiriasi nuo įprastų virusų: jų genomai panašūs dydžiu į kai kurias bakterijas, o genų yra šimtai. Dėl technologinių ribotumų ilgą laiką nepastebėti, šie virusai iškilo kaip svarbūs vienaląsčių jūrų protistus išgyvenimo ir evoliucijos veiksniai. Ši grupė, tarp jų dumbliai, amebos ir žiuželiai, palaiko jūrų ekosistemas ir skatina pasaulinį anglies sugėrimą per fotosintezę.

Kai milžiniški DNR virusai užkrečia protistus, jie gali sutrikdyti ląstelių veiklą – padarinių mastas svyruoja nuo populiacijų žlugimų, tokių kaip kenksmingi dumblių žydėjimai (sparčiai augantys dumbliai, keliantys ekologines grėsmes), iki didesnio poveikio vandenyno chemijai ir visuomenės sveikatai. Ilgą laiką mokslininkai įtarė, kad šie virusiniai reiškiniai daug reikšmingesni, nei manyta, valdant jūrų dinaminius procesus: maistmedžiagių srautus, dažną dumblių žydėjimą, grasinantį laukinei gyvūnijai ir pakrančių ekonomikoms.

Paslėptų virusų paieška: superkompiuterių ir naujų technologijų panaudojimas

Milžiniškų virusų aptikimas sudėtingose jūrų aplinkose reikalavo aukštos skaičiuojamosios galios. Rosenstiel jūrų, atmosferos ir žemės mokslų mokykloje suburta tyrėjų komanda sukūrė ir pritaikė pažangų bioinformatikos metodą BEREN (Bioinformatic Eukaryotic Viruses Retrieval from Environmental metageNomics). Pasitelkę superkompiuterių sistemas, ypač Miami universiteto Pegasus, mokslininkai analizavo milžiniškus jūrų metagenominius duomenų rinkinius, surinktus iš vandens telkinių visame pasaulyje – nuo Arkties iki Antarktidos.

Naudodami BEREN sistemą, tyrėjai aptiko ne tik 230 naujų milžiniškų virusų genomų, bet įvertino jų genetinę įvairovę bei galimas funkcijas. Lygindami juos su esamomis duomenų bazėmis, jie pavyko pažinti unikalius prisitaikymus ir veikimo mechanizmus.

Pagrindinės įžvalgos: virusų įtaka fotosintezei ir biotechnologiniai atradimai

Tarp įspūdingiausių atradimų mokslininkai nustatė 530 naujų baltymų, devyni iš jų – tiesiogiai susiję su fotosinteze. Tai rodo, kad milžiniški virusai gali ne tik užkrėsti jūrų protistus, bet ir perimti bei modifikuoti jų fotosintezę, iš esmės keisdami energijos srautus maisto grandinės pagrinde.

Dr. Mohammad Moniruzzaman, bendraautorius ir jūrų biologijos docentas, teigė: „Gilindamiesi į milžiniškų virusų įvairovę ir jų ekologinį vaidmenį bei sąveiką su dumbliais ir kitais jūrų mikrobais, priartėjame prie galimybės prognozuoti ir net valdyti kenksmingus dumblių žydėjimus, kurie kelią grėsmę visuomenės sveikatai Floridoje ir visame pasaulyje.“

Šie žydėjimai, sukelti besaikio fitoplanktono augimo, gali sunaikinti žuvininkystę ir poilsines zonas. Nauji tyrimai gali pagerinti pasirengimą ir reagavimą į šiuos procesus bei į virusines grėsmes įlankose, upėse ir ežeruose visame pasaulyje.

Pagrindinis autorius, doktorantas Benjamin Minich, paaiškino platesnius metabolinius pokyčius: „Atradome, kad milžiniški virusai turi genus, paprastai randamus tik ląsteliniame gyvenime – įskaitant tuos, atsakingus už anglies apykaitą ir fotosintezę. Tai pabrėžia jų svarbų vaidmenį perprogramuojant šeimininko ląstelės metabolizmą infekcijos metu ir daro apčiuopiamą poveikį jūrų biogeochemijai.“

Platesnės pasekmės ir ateities kryptys

Šios naujai atrastos virusų funkcijos atveria perspektyvas biotechnologijų srityje: tikėtinas naujų fermentų atradimas. Tyrėjų komanda sukūrė ir išnagrinėjo šimtus mikrobinės bendruomenės genomų neprilygstama raiška, sudarydama pagrindą naujoms virusų aptikimo, stebėsenos ir klasifikavimo sistemoms.

Tai gali reikšmingai sustiprinti aplinkosaugos institucijų galimybes stebėti patogenus ir taršą vandens ekosistemose, stiprinti atsaką į ekologines grėsmes. Kasdienis inovatyvių bioinformatikos įrankių, tokių kaip BEREN, diegimas reiškia iš esmės naują etapą jūrų virusologijos srityje.

Išvados

230 naujų milžiniškų virusų atradimas pasaulio vandenynuose reiškia didelį proveržį jūrų ir mikrobinio pasaulio tyrimuose. Šie virusai, keisdami jūrų fotosintezę ir valdydami unikalius genetinius mechanizmus, yra kertiniai ekosistemų sveikatai, biogeocheminiams ciklams ir net – žmonių gerovei. Atskleidžiant vis naujus nematomo vandenynų pasaulio sluoksnius, ateityje vis didesnis dėmesys bus sutelktas į biotechnologinio potencialo naudojimą bei pasaulines strategijas, skirtas mažinti dumblių žydėjimo ir kitų jūrų grėsmių riziką.