Genes metabólicos auxiliares codificados por virus procariotas en todos los océanos del mundo
Los microbios que reciclan los nutrientes en el océano no hacen el trabajo por sí solos: los virus que los infectan también influyen en el proceso.
Es una tarea vital para el resto del planeta, ya que permite que los océanos absorban la mitad del carbono generado por los humanos en la atmósfera y produzcan la mitad del oxígeno que respiramos.
Un nuevo estudio acerca a los científicos a una comprensión más completa del lugar que ocupan los virus en el panorama oceánico global del ciclo de nutrientes como el nitrógeno, el fósforo y, de particular interés, el carbono.
La investigación extiende ampliamente un hallazgo de hace 20 años de que los genes pueden intercambiarse entre los virus y las células fotosintéticas que infectan y consolida datos resultantes de más de 100 artículos sobre virus y metabolismo que siguieron.
El equipo de investigación, dirigido por la Universidad Estatal de Ohio, informa sobre la creación de un catálogo de genes que los virus "robaron" de los microbios marinos que infectaron en todos los océanos del mundo. Los científicos identificaron y organizaron casi 23.000 genes conocidos como genes metabólicos auxiliares (AMG), incluidos más de 7.000 nunca antes documentados. El análisis sugiere que aproximadamente 1 de cada 5 poblaciones de virus oceánicos porta al menos un AMG.
Para agregar aún más contexto al papel de los virus, los investigadores mapearon 340 vías metabólicas atribuidas a microbios en los océanos: cambios en el equilibrio de nutrientes que resultan del consumo y la generación de moléculas por parte de los organismos en función de sus necesidades de supervivencia. De ellos, los científicos descubrieron que los AMG virales se asignaban a 128 vías, lo que significa que los virus afectaban más del 37% de esos procesos.
"Todavía no sabemos el alcance del impacto de los virus. Pero ahora que conocemos las vías a las que se dirigen los virus a través de los AMG, podríamos utilizar enfoques de modelado metabólico para estimar cuantitativamente el impacto viral en las comunidades anfitrionas y el funcionamiento del océano", dijo el primer autor del estudio, Funing Tian, quien completó el trabajo como estudiante de doctorado en microbiología en la Universidad Estatal de Ohio.
"El trabajo de modelado futuro podría implicar aumentar o disminuir los flujos metabólicos que ocurren a través de estas vías y ver cómo cambiaría el impacto de los virus".
Imagen: Vías metabólicas completas a las que se dirigen los nuevos AMG. Crédito: Microbiome (2024). DOI: 10.1186/s40168-024-01876-z
Tian y su coautor principal, el ex investigador postdoctoral en microbiología de la Universidad Estatal de Ohio James Wainaina, se centraron en los virus de ADN que infectan a los procariotas: bacterias y otros organismos unicelulares que flotan en los océanos del mundo.
Wainaina y Tian eran miembros del laboratorio dirigido por el autor principal del estudio, Matthew Sullivan, profesor de microbiología y director fundador del Centro de Ciencias del Microbioma en la Universidad Estatal de Ohio.
Sullivan fue el coordinador de virus del Consorcio Tara Oceans, un estudio global de tres años sobre el impacto del cambio climático en los océanos del mundo. Como parte de esa colaboración internacional, dirigió trabajos previos para catalogar en los océanos cerca de 200.000 especies de virus de ADN y 5.500 de ARN, y para determinar el potencial de los virus para mitigar el cambio climático.
Tian y Wainaina analizaron para este estudio 7,6 terabytes de datos de secuencia metagenómica de Tara Oceans, lo que aumentó las poblaciones conocidas de virus de ADN oceánico a 579.904. A partir de estas poblaciones, el equipo realizó muchos pasos computacionales para identificar los genes metabólicos auxiliares ubicados en los genomas del virus.
Identificaron de forma conservadora un total de 86.913 AMG que se agruparon en 22.779 grupos de genes basados en secuencias. De ellos, 7.248 se identificaron por primera vez. Los virus extraen estos genes de las células microbianas que infectan y los incorporan a su propio genoma, lo que les da el poder de reprogramar la función de una célula anfitriona de un modo que garantiza la supervivencia viral.
Imagen derecha: Conjuntos de datos de virus oceánicos globales y genes metabólicos auxiliares (AMG).
"El desafío con los genes metabólicos auxiliares es que la gente sabe que están ahí, pero el gen es similar a la copia celular; eso hace que sea importante diferenciar entre la copia viral y la copia microbiana", dijo Wainaina.
"Para minimizar los falsos positivos, tomamos medidas de curación para asegurarnos de centrarnos solo en los AMG que estaban en segmentos del genoma viral", dijo Tian.
Luego analizaron más a fondo los datos genómicos para determinar las vías metabólicas (cada una de ellas una serie de acciones relacionadas que alteran la función de una célula) que podrían rastrearse hasta especies microbianas específicas, revelando 340 de esas vías. Con su nuevo catálogo de genes "robados", los investigadores descubrieron que 128 de estas vías eran el objetivo de los AMG virales.
"Ése es nuestro gran hallazgo", afirmó Tian. "Antes de este trabajo, se desconocía cuántas vías metabólicas estaban codificadas en los microbios de los océanos del mundo, y se entendía aún menos entre ellos cuántas de ellas eran el objetivo de los virus a través de los AMG".
Wainaina agregó: "No se trata solo de la cantidad, sino también de en qué vías específicas participan los virus, lo que informa los ciclos biogeoquímicos que los virus están reprogramando y manipulando en el océano".
El catálogo AMG y el mapeo de las vías metabólicas proporcionan una base para la experimentación y el modelado de la ingeniería del microbioma que ayudará a los investigadores a realizar predicciones más precisas sobre los roles de los virus en los procesos biogeoquímicos oceánicos, dijo Sullivan.
"La mayoría de los modelos actuales no incluyen virus en absoluto, y sólo algunos incluyen microbios", afirmó. "Es emocionante que hayamos generado estos datos que son fundamentales para incorporar los virus y sus impactos en nuevos modelos predictivos".
Los hallazgos se publican en la revista Microbiome: Prokaryotic-virus-encoded auxiliary metabolic genes throughout the global oceans
