Bakteriophagen nehmen am planetaren Schwefelzyklus teil • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Genetik, Evolution, Mikrobiologie, Virologie

Bakteriophagen nehmen am planetaren Schwefelzyklus teil

Hydrothermale Felder in der Riftzone des Lau-Beckens mit Rauchrohren: Tiefe 1800 m, Temperatur ca. 260 ° C. Von hier aus wurden Proben für die Metagenomanalyse entnommen. Fotos von news.harvard.edu

Nach der Untersuchung von Proben, die SUP05 Sulfo-oxidierende Bakterien enthielten, entdeckten Wissenschaftler virale DNA in ihren Genomen. Überraschenderweise enthielten 15 der 18 Arten von viraler DNA Enzyme, die an der Oxidation von Schwefel beteiligt sind. Wie sich herausstellte, haben Viren dieses Element des Genoms schon vor langer Zeit erworben, es in ihrer genetischen Ökonomie konserviert und werden verwendet, um Bakterien dazu zu zwingen, ihre Energiereserven aktiv für die Replikation von viraler DNA auszugeben. Die Summe des viralen Genoms Daten, die die Größe dieses Phänomen: Viren aus Bakterien, die Gene borgen Energiestoffwechsel zu regulieren und sie für selbstsüchtige Zwecke verwenden. Die Entwicklung dieser Gene und ihre Transduktion muß angesichts dieses weit verbreiteten Phänomen betrachtet werden.

Amerikanische Wissenschaftler von der University of Michigan und Minnesota untersuchten die bakterielle Gemeinschaft von Tiefsee-Hydrothermen (sie werden auch "schwarze Raucher" genannt). Ab der Mitte des 20. Jahrhunderts, als diese isolierte Welt entdeckt wurde,Die Bakterienpopulation von "schwarzen Rauchern" – der Hauptenergiegenerator dieses Biosystems – ist zu einem traditionellen Thema geworden, das von Wissenschaftlern sehr genau beobachtet wird. Schließlich bilden Bakterien, die verschiedene Arten von Schwefelverbindungen (sowie Methan, Eisen usw.) oxidierenungefährdie meisten der Primärproduktion von "schwarzen Rauchern". Trotz der ständigen aktiven Forschung liefert die Welt der "schwarzen Raucher" regelmäßig erstaunliche Entdeckungen.

In dieser Studie nahmen Wissenschaftler SUP05-Bakterien im Zusammenhang mit Gamma-Proteobakterien (Gammaproteobacteria), die auf die Oxidation von Schwefel spezialisiert sind (für SUP05, siehe den Artikel: KT Marshall & RM Morris, 2012. Isolierung eines aeroben Schwefeloxidators aus der SUP05 / Arctic96BD-19) Klade). SUP05 ist das massivste Element der Mikrobiota der schwarzen Raucher. Im Allgemeinen werden "black smokers" Schwefelbakterien in Tiefsee-Ökosysteme mit einer Menge an organischer Substanz geliefert, die mit der Produktion der photischen Zone vergleichbar ist. Daher ist das Interesse an SUP05 voll gerechtfertigt.

Wissenschaftler verglichen die SUP05-Genome von sechs Punkten in Tiefwasser-Riftzonen: 5 Proben kamen aus dem Lau-Becken, wo das aktive hydrothermale Feld bekannt ist, und das sechste aus den Hydrothermen des Guaymas-Beckens im Golf von Kalifornien.

Von den sechs Proben zeigten die SUP05-Genome virale DNA – insgesamt 18 verschiedene Viren.An sich ist dies in der Reihenfolge der Dinge: Der massivste Organismus ist in der Regel mit Parasiten infiziert, in diesem Fall Bakteriophagen. Im Fall von SUP05 wurden Wissenschaftler von etwas anderem überrascht. Fünfzehn der 18 Arten von Bakteriophagen fanden Gene eines speziellen Enzyms (RDSR, umgekehrte dissimilatorische Sulfit-Reduktase – dissimilierende Sulfit-Reduktase; siehe den Artikel von F. Grimm et al., 2009). in Allochromatium vinosum) beteiligt an der Oxidation von elementarem Schwefel. Es stellt sich heraus, dass die meisten dieser Tiefwasserparasiten mit molekularen Werkzeugen für die Oxidation von Schwefel ausgestattet sind. Warum sind sie Viren? Oxidation von Schwefelviren nicht. Die Aufgabe des Virus ist es, seine DNA und Proteine ​​seines viralen Kapsids zu kopieren und dann in den nächsten Wirt zu infiltrieren.

Der Vergleich genetischer Sequenzen hat gezeigt, dass die Gene viraler Enzyme den Genen eines ähnlichen Enzyms in Wirtsbakterien nicht ähnlich sind. Dies bedeutet, dass sie nicht als Ergebnis einer kürzlichen Rekombination oder Kreditaufnahme erhalten wurden. Viren erwarben sie für eine relativ lange Zeit und hielten sie auf die eine oder andere Weise in ihrem Genom: Offensichtlich trug diese zusätzliche genetische Last zu ihrer Reproduktion bei. Da dieses Enzym an dem Prozess beteiligt ist, durch den die SUP05-Zelle Energie erhält, ist der Vorteil dieses "Überhangs" für das Virus offensichtlich.Das in die Zelle eingedrungene Virus veranlaßt das Bakterium, seine Schwefelreserven aktiv zu nutzen, um zusätzliche Energie zu erzeugen und es für die Transkription von DNA, einschließlich viraler DNA, zu verwenden. Mit anderen Worten, das Bakterium ist gezwungen, virale DNA zu replizieren.

Schema der Schwefeloxidation durch das Bakterium SUP05. Nur die Hauptenzyme dieser Kaskade wurden notiert – Sulfid-Chinon-Oxidoreduktase (sqr), Schwefel-oxidierender Komplex (sox), dissimilierende Sulfit-Reduktase (RDSR), APS-Reduktase (apr), ATP-Sulfurylase (sat). Graues Rechteck zeigt den Bereich, in dem das virale rdsr-Enzym wirkt. Schema des Artikels zur Diskussion in Wissenschaft

Ein ähnliches Virendiktat wurde für in der photischen Zone lebende Cyanobakterien registriert. Ihre Bakteriophagen nahmen photosynthetische Enzyme auf (psbA und psbd). Infolgedessen können Viren eine sterbende Zelle zwingen, Energie zu liefern, selbst wenn das Photosynthesesystem bereits beschädigt ist. Wie sich bei der Untersuchung von Viren der oberflächlichen Schichten des Ozeans herausstellte, haben die meisten Viren Enzyme, die an der Photosynthese beteiligt sind. Also, etwa 60% der Gene psbAnachgewiesen durch Metagenomanalyse von Oberflächengewässern gehören zu Viren (über Gene psbA mehr dazu in dem Artikel: P. Mulo et al., 2009.Cyanobakterien-psbA-Genfamilie: Optimierung der oxygenen Photosynthese).

Zusammenfassend zeigen Daten zu Viren aus Oberflächengewässern und Tiefsee-Rauchern eine große Wahrscheinlichkeit der Transduktion und spezifischen Evolution von Genen, die am Energiestoffwechsel beteiligt sind. Diese Gene klammern sich nicht nur versehentlich an virale DNA und werden an neue Wirte weitergeleitet. Im Gegenteil, sie sind wahrscheinlich in Viren vorhanden, sie werden absichtlich von ihnen konserviert und modifiziert, um den Bedürfnissen von Viren und nicht bakteriellen Benutzern von Energiesystemen zu entsprechen. Unter diesem Gesichtspunkt sehen die Evolution vieler bakterieller Gene und die Rate der horizontalen Übertragung ziemlich unterschiedlich aus.

Quelle: K. Anantharaman, M. B. Duhaime, J. A. Breier, K. A. Wendt, B. M. Toner, G. J. Dick. Schwefeloxidationsgene in verschiedenen Tiefseeviren // Wissenschaft. 2014. V. 344. P. 757-760.

Elena Naimark


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