Convertir el carbono en una forma orgánica más pesada que se hundirá en el fondo del océano
Armados con un catálogo de cientos de miles de especies de virus de ADN y ARN en los océanos del mundo, los científicos se están concentrando ahora en los virus con más probabilidades de combatir el cambio climático ayudando a atrapar dióxido de carbono en el agua de mar o, utilizando técnicas similares, diferentes virus que pueden evitar el escape de metano del suelo ártico en proceso de descongelación.
Combinando datos de secuenciación genómica con análisis de inteligencia artificial, los investigadores identificaron virus oceánicos y evaluaron sus genomas para descubrir que "roban" genes de otros microbios o células que procesan dióxido de carbono en el mar. El mapeo de los genes del metabolismo microbiano, incluidos los del metabolismo del carbono submarino, reveló 340 vías metabólicas conocidas en todos los océanos del mundo. De ellos, 128 también se encontraron en los genomas de virus oceánicos.
"Me sorprendió que el número fuera tan alto", dijo Matthew Sullivan, profesor de microbiología y director del Centro de Ciencias del Microbioma de la Universidad Estatal de Ohio.
Después de extraer este enorme tesoro de datos a través de avances en computación, el equipo ha revelado ahora qué virus tienen un papel en el metabolismo del carbono y están utilizando esta información en modelos metabólicos comunitarios recientemente desarrollados para ayudar a predecir cómo sería el uso de virus para diseñar el microbioma del océano hacia una mejor captura de carbono.
"El modelado trata sobre cómo los virus pueden aumentar o disminuir la actividad microbiana en el sistema", dijo Sullivan. "Los modelos metabólicos comunitarios me están indicando el punto de datos soñado: qué virus se dirigen a las vías metabólicas más importantes, y eso es importante porque significa que son buenas palancas para accionar".
Sullivan presentó la investigación en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS) en Denver.
Sullivan fue el coordinador de virus del Tara Oceans Consortium, un estudio global de tres años de duración sobre el impacto del cambio climático en los océanos del mundo y la fuente de 35.000 muestras de agua que contienen la abundancia microbiana. Su laboratorio se centra en fagos, virus que infectan bacterias, y su potencial para ampliarse en un marco de ingeniería para manipular microbios marinos para convertir el carbono en una forma orgánica más pesada que se hundirá en el fondo del océano.
Imagen: El Tara durante su viaje de 100.000 kilómetros alrededor del Océano Pacífico. Crédito: François Aurat/Tara Ocean Foundation
"Los océanos absorben carbono y eso nos protege contra el cambio climático. El CO2 se absorbe como gas y su conversión en carbono orgánico está dictada por los microbios", dijo Sullivan. "Lo que estamos viendo ahora es que los virus se dirigen a las reacciones más importantes en estos metabolismos de la comunidad microbiana. Esto significa que podemos comenzar a investigar qué virus podrían usarse para convertir el carbono en el tipo que queremos.
"En otras palabras, ¿Podemos fortalecer esta enorme barrera oceánica para que sea un sumidero de carbono y ganar tiempo contra el cambio climático, en lugar de liberar ese carbono a la atmósfera para acelerarlo?".
En 2016, el equipo de Tara determinó que el hundimiento de carbono en el océano estaba relacionado con la presencia de virus. Se cree que los virus ayudan a hundir carbono cuando las células procesadoras de carbono infectadas por virus se agrupan en agregados más grandes y pegajosos que caen al fondo del océano. Los investigadores desarrollaron análisis basados en inteligencia artificial para identificar miles de virus, de los cuales pocos son virus "VIP", para cultivarlos en el laboratorio y trabajar con ellos como sistemas modelo para la geoingeniería oceánica.
Este nuevo modelo metabólico comunitario, desarrollado por el profesor Damien Eveillard, colaborador del Tara Oceans Consortium, les ayuda a comprender qué consecuencias no deseadas podrían tener tal enfoque. El laboratorio de Sullivan está tomando estas lecciones oceánicas aprendidas y aplicándolas al uso de virus para diseñar microbiomas en entornos humanos para ayudar a la recuperación de una lesión de la médula espinal, mejorar los resultados de los bebés nacidos de madres con VIH, combatir la infección en heridas por quemaduras y más.
Imagen: Comunidades microbianas en las profundidades del Océano
"La conversación que estamos teniendo es: '¿Cuánto de esto es transferible?'", dijo Sullivan, también profesor de ingeniería civil, ambiental y geodésica. "El objetivo general es diseñar microbiomas para lograr lo que creemos que es algo útil".
También informó sobre los primeros esfuerzos para utilizar fagos como herramientas de geoingeniería en un ecosistema completamente diferente: el permafrost en el norte de Suecia, donde los microbios cambian el clima y responden al cambio climático a medida que se descongela el suelo congelado.
Virginia Rich, profesora asociada de microbiología en el estado de Ohio, es codirectora del Instituto de Integración Biológica EMERGE con sede en el estado de Ohio, que organiza la ciencia del microbioma en el sitio de campo de Suecia. Rich también codirigió investigaciones anteriores que identificaron un linaje de organismos unicelulares en el suelo de permafrost que se estaba descongelando como un importante productor de metano, un potente gas de efecto invernadero.
Rich coorganizó la sesión de la AAAS con Ruth Varner de la Universidad de New Hampshire, quien codirige el Instituto EMERGE, que se centra en comprender mejor cómo responden los microbiomas al deshielo del permafrost y las interacciones climáticas resultantes.
La charla de Sullivan se tituló "From ecosystems biology to managing microbiomes with viruses"
