Cómo influyen los virus en las interacciones entre los microbios
Al observar los microbios más pequeños infectados por virus en el océano, los investigadores están obteniendo nuevos conocimientos sobre la red alimentaria marina que pueden ayudar a mejorar las futuras predicciones del cambio climático.
El nuevo estudio, coescrito por la profesora adjunta de biología de la Universidad Wake Forest, Sheri Floge, reúne a ecólogos virales, químicos y físicos para descubrir más sobre los microbios marinos y lo que sucede cuando los infectan los virus.
En la tierra, la fotosíntesis la llevan a cabo las plantas y los efectos del proceso se pueden ver en el cambio de color de las hojas en otoño y en la aparición de nuevas hojas verdes en primavera. Pero en el océano, el proceso es mucho más difícil de medir para los científicos.
La mayor parte de la fotosíntesis la llevan a cabo los microbios más diminutos, en concreto el fitoplancton. Estos organismos unicelulares son también la base de la red alimentaria marina. Uno de los tipos de fitoplancton más abundantes son las picocianobacterias marinas, como Synechococcus.
"Los Synechococcus son actores muy importantes en el océano a nivel global", dijo Sheri Floge, profesora adjunta de biología de Wake Forest. "Junto con otras picocianobacterias, son responsables de aproximadamente una cuarta parte de la fotosíntesis del océano y son importantes para el ciclo del carbono y los nutrientes, por lo que es importante que entendamos sus impactos y cómo funcionan, especialmente en relación con el cambio climático".
Estos microorganismos son susceptibles a la infección viral y eso cambia su composición. Hasta ahora, los científicos no sabían mucho sobre lo que sucedía cuando se infectaban por primera vez. Floge es coautora de un nuevo estudio que profundiza para desmitificar este proceso.
"Históricamente, los científicos se han centrado en los virus del océano por su papel en la lisis (ruptura) de las células. Nuestro trabajo demuestra que las células intactas infectadas por virus son bioquímica y fisiológicamente diferentes de las células no infectadas y que otros organismos responden a ellas de forma diferente", afirmó Floge.
"No hay mucha investigación que se haya centrado en la etapa temprana de la infección. Al observar las células infectadas antes de que se lisen, podemos aprender sobre su papel ecológico en las comunidades oceánicas. "Y esos datos adicionales son importantes porque nos dan una imagen más completa de lo que está sucediendo en los ecosistemas marinos y a largo plazo cuando hay sistemas dominados por cianobacterias en el océano".
Imagen: Una nueva herramienta desarrollada durante el proceso de investigación permite obtener resultados más rápidos y eficientes. Crédito: Richard J. Henshaw.
Colaboración e innovación
Floge colaboró con científicos de otras instituciones, como la Universidad Tufts y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, para realizar el estudio de investigación.
"Cuando mueren estas células infectadas, liberan una gran cantidad de alimento del que se alimentan todas las demás", dijo Richard J. Henshaw, autor principal del estudio, quien se desempeñó como investigador postdoctoral en la Universidad Tufts. "Pero lo que descubrimos es que, al principio, también liberan potentes señales químicas. Otros organismos pueden detectarlas y nadar hacia las células infectadas, por lo que el proceso de infección temprana es tan importante, o incluso más, para los ecosistemas marinos que la lisis".
Para obtener una imagen más clara de cómo funcionan en las células estas interacciones a microescala, los científicos llevaron las técnicas de investigación a nuevos límites. El artículo utiliza novedosas técnicas (un dispositivo de quimiotaxis multiplexada recientemente desarrollado) con experimentos de infección viral altamente controlados para comprender mejor el papel ecológico de los virus y los microbios infectados por virus en los sistemas oceánicos.
La nueva herramienta fue desarrollada por Michael Stehnach, en ese momento estudiante de doctorado en la Universidad de Tufts y ahora investigador postdoctoral en la Universidad Brandeis.
"Este dispositivo innovador permitirá a los científicos de diferentes campos cuantificar rápidamente cómo los microbios responden a gradientes químicos que tienen diferentes intensidades", añadió Henshaw. "Podría utilizarse en la industria y la industria farmacéutica para investigar, por ejemplo, las dosis de los medicamentos o la resistencia a los antibióticos. En este artículo sobre el fitoplancton y las bacterias hemos demostrado que el uso de este dispositivo es más eficiente y puede ahorrar incontables horas de investigación".
Imagen: Quimiotaxis bacteriana hacia cianobacterias intactas infectadas con fagos. Crédito: Nature Microbiology (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01843-2
Simulación del entorno oceánico
Estudiantes de grado y posgrado de Wake Forest participaron en el proceso de investigación. Los experimentos de infección viral se llevan a cabo en cultivos de plancton mantenidos en el laboratorio de cultivo en sala de la Universidad Wake Forest.
"La sala de crecimiento es un entorno altamente controlado con iluminación que se puede programar para simular las condiciones de luz natural", dijo Floge. "Realizamos experimentos de infección viral a gran y pequeña escala en una variedad de tipos de fitoplancton cultivados en agua de mar artificial para desentrañar los impactos virales en el metabolismo y las interacciones del plancton".
Floge dijo que el último artículo se basa en su investigación previa sobre los virus oceánicos. Dijo que lo que más le entusiasma de este nuevo estudio es que ha abierto una nueva ventana para más investigaciones.
"Cuando tratamos de crear modelos predictivos de lo que sucederá en el futuro con el cambio climático, gran parte de nuestra incertidumbre vuelve a las interacciones microbianas porque han sido en gran medida una caja negra. Este nuevo estudio nos ayuda a abrir la caja y recopilar datos importantes que cambian nuestra comprensión de algunas de las funciones de los virus en el océano".
El estudio se ha publicado en Nature Microbiology: Metabolites from intact phage-infected Synechococcus chemotactically attract heterotrophic marine bacteria
