La infección viral puede provocar un rápido colapso de las floraciones de algas
Se decía que venían del espacio exterior, e incluso hubo afirmaciones de que en realidad eran bacterias y que socavaban la propia definición de virus. Los virus gigantes, denominados "giruses", contienen enormes cantidades de material genético (hasta 100 veces más que otros virus) y algunos son más grandes que ciertas bacterias.
Eran prácticamente desconocidos para la ciencia hasta principios del siglo XXI, pero los descubrimientos realizados en las últimas dos décadas sugieren que pueden tener un importante impacto en la vida de la Tierra.
Los virus gigantes que habitan los océanos infectan, entre otros, a diversas especies de algas unicelulares, organismos fotosintéticos responsables de aproximadamente la mitad de la producción de oxígeno de la Tierra y de alrededor de la mitad de la fijación global de carbono.
La infección viral puede provocar un rápido colapso de las floraciones de algas (acumulaciones de algas que se extienden a lo largo de decenas de miles de kilómetros en el océano) y esto, a su vez, puede afectar sustancialmente a extensos ecosistemas marinos, atmosféricos y terrestres. Sin embargo, todavía sabemos muy poco sobre los hospedadores naturales de los virus gigantes, es decir, qué especies de algas son infectadas por cada tipo de virus.
En un nuevo estudio investigadores del laboratorio del profesor Assaf Vardi en el Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales del Instituto de Ciencias Weizmann utilizaron la secuenciación de ARN de una sola célula para analizar muestras recolectadas de una floración de algas en los fiordos de Noruega.
Imagen: Gestando una floración: el equipo de investigación del laboratorio del profesor Assaf Vardi recoge muestras en Noruega
Esto les permitió trazar, con un detalle sin precedentes, las relaciones entre los virus gigantes y los organismos marinos unicelulares, incluidas las algas, que cada uno de ellos infecta.
Hasta hace poco, la forma más eficaz de analizar las poblaciones de virus y algas en el océano era examinarlas en masa, es decir, analizar todo el material genético aislado de muestras de agua del océano que estaban repletas de virus y organismos marinos unicelulares.
"Estos estudios han hecho avanzar nuestro conocimiento sobre la distribución de las algas y los virus en el agua, pero todavía faltaba mucha información", explica Vardi. "Pudimos saber qué especies eran abundantes en una muestra particular, pero no identificar una infección activa, por lo que estaba limitada nuestra capacidad para medir el impacto de los virus en la floración o el colapso de las algas".
"Asimismo, no pudimos identificar poblaciones menos prevalentes en la muestra, determinar el hospedador natural de cada virus o saber si los virus estaban activos en las células".
Para superar estas limitaciones y examinar las interacciones que existen en el entorno natural, los investigadores viajaron a los fiordos noruegos, donde indujeron una floración de algas añadiendo nutrientes al agua e imitando las condiciones que conducen a las floraciones.
De vuelta en el laboratorio, secuenciaron el ARN de células individuales en sus muestras. Estas moléculas de ARN indican qué genes están activos en los organismos muestreados en un momento dado. A diferencia de la secuenciación de ARN regular, en la que se reúne todo el ARN de todos los organismos de la muestra, los investigadores utilizaron la secuenciación de ARN de una sola célula.
Imagen: La línea que conecta un virus gigante con una alga diminuta: familias de algas unicelulares (izquierda) y los virus gigantes (derecha) que albergan, según se descubrió en el estudio
Este método avanzado de alta resolución les permite etiquetar células individuales e identificar qué ARN aparece de forma única en esa célula en particular.
Con este método, los investigadores pudieron identificar los genes activos en las células y, comparándolos con bases de datos existentes, determinar a qué especie pertenecía cada célula de la muestra. Pero no se conformaron con mapear únicamente los hospedadores; también querían establecer qué virus infectan cada célula en el ambiente natural.
"Nos dimos cuenta de que analizando meticulosamente el ARN, podríamos producir dos tipos de datos: no sólo identificar la especie de alga, sino también determinar si las algas habían sido infectadas por un virus gigante y, en caso afirmativo, cuál", explica Amir From, el estudiante de doctorado del laboratorio del profesor Vardi que dirigió el estudio.
Imagen derecha: Cómo colapsan las floraciones: Cuatro virus gigantes con forma de hexágono que se multiplicaron dentro de un alga unicelular (textura rugosa a la derecha) están a punto de infectar otras células de algas. Tres virus están intactos y listos para la acción, y uno (blanco) carece de ADN. Crédito: Dra. Daniella Schatz
Antes de este estudio, no existía ninguna base de datos que clasificara los virus gigantes que infectan a las algas, por lo que los investigadores consultaron al profesor Frank Aylward, experto en la evolución de los virus en Virginia Tech, quien, con su propio equipo, creó una base de datos única de virus gigantes, basada en el ARN extraído de las células.
De las decenas de miles de células que se examinaron, muchas pertenecían al alga dominante en esa floración, Emiliania huxleyi. En un estudio anterior, Vardi y su equipo ya habían identificado el virus gigante específico que infecta a esta alga. Esta vez, se centraron en otras parejas virus-hospedador, presentes en cantidades minúsculas en las muestras.
En total, encontraron 972 células infectadas, de las cuales 71 no pertenecían a las algas dominantes en la floración y que incluían varias combinaciones de virus gigantes-hospedador que hasta entonces eran desconocidas.
Por ejemplo, descubrieron que el virus Imitervirales-07 infecta células de algas de la familia Katablepharidaceae, una conexión que no se había descrito anteriormente. Cuando examinaron el ARN del virus en estas células, descubrieron que produce proteínas que tienen un impacto directo en el destino de las células, incluidas proteínas capaces de provocar el suicidio de las células (muerte celular programada) durante la fase tardía de la infección.
Imagen: Imagen del 24 de julio de 1999 tomada por el Landsat de una floración de Emiliania huxleyi en Cornualles, el cual da al mar un color cian o turquesa. USGS.
Los investigadores incluso encontraron una prueba irrefutable: demostraron que existía un vínculo entre la aparición del virus en las muestras examinadas y el colapso poco después de la población de algas hospedantes.
Dado que los investigadores lograron abordar con éxito el desafío computacional de caracterizar células infectadas en muestras de pequeñas cantidades de ARN, creen que su método también se puede utilizar para identificar interacciones de algas con virus y otros patógenos en otras partes del mundo, incluidos entornos climáticos extremos como los polos y los lagos alpinos.
"Debido a procesos vinculados al cambio climático, se están liberando antiguos patógenos de los casquetes polares que se derriten. Este nuevo método nos permitirá identificar estos patógenos con mucha mayor facilidad y ayudará a la humanidad a prepararse para la amenaza ambiental que pueden representar", afirma Vardi.
Los hallazgos se han publicado recientemente en Nature Microbiology: Single-cell RNA-seq of the rare virosphere reveals the native hosts of giant viruses in the marine environment
