Virusi su najzastupljeniji i najraznovrsniji biološki entiteti na Zemlji, koji žive u svim vrstama staništa. Samo u okeanu virusa ima deset puta više od mikroba.
Virusi se razmnožavaju inficirajući žive organizme, od ljudi i životinja do insekata, pa čak i mikroba. Iako virusi životne sredine koji inficiraju mikrobe nisu nedavno otkriće, međutim, njihova prevalencija nije ranije bila poznata. Istraživači tek sada počinju da razumeju raznolikost virusa i njihov uticaj i funkciju u ekosistemima.
Nova studija objavljena u Nature Microbiologi istražuje viruse koji inficiraju mikrobe u dubokom moru i pronalazi dokaze da virusi komuniciraju sa daleko raznovrsnijim skupom domaćina nego što se ranije mislilo. Nalazi studije mogli bi da pomognu u boljem razumevanju virusa i u inženjerskim terapijama virusa.
Glavni autor dr. Kandidat Junha Hvang i stariji autor profesor Peter Girguis, obojica na Odeljenju za organističku i evolucionu biologiju, prikupili su uzorke sa mikrobnih prostirki dubokomorskih hidrotermalnih ventila tokom ekspedicije 2021. u basenu Guaimas, Meksiko. Ove mikrobne prostirke se sastoje od ogromnog broja bakterija i arheja, mikroba koji dominiraju u ovim ekosistemima. Oba su mikrobna, ali bakterije i arheje su veoma različite taksone; različiti jedni od drugih kao što su bakterije od ljudi.
Iako su svetovi odvojeni, mnoge arheje i bakterije preživljavaju kroz simbiotske odnose. U hidrotermalnim otvorima, bakterije i arheje formiraju mase koje mogu iskoristiti energiju iz metana koji se nalazi u ovim sredinama. Iako je ovaj odnos neophodan za opstanak, to ne menja činjenicu da su ove dve loze biološki veoma različite. Zbog čega je Hvanga i Girguisa još više iznenadilo kada su otkrili da i bakterije i arheje nose imunitet protiv istih virusa.
„Bili smo zbunjeni kada smo videli rezultate“, rekao je Hvang, „jer bez obzira da li su oni simbiotski ili ne, smatra se da je mašinerija za infekciju veoma komplikovana i specifična za domaćina. Ako su arheje i bakterije toliko različite kako jedan virus može da zarazi oba ?“ To pitanje je navelo istraživače da razmisle o svim različitim načinima na koje virusi mogu da komuniciraju sa mikrobima koji prevazilaze infekciju.
Većina rada na virusima obavljena je u laboratorijama sa jednom kulturom i jednim virusom. Studije su tek nedavno počele da se proširuju na prirodno okruženje, što zahteva upotrebu različitih alata jer mikrobe nije lako kultivisati u laboratorijama.
„Oko devedeset devet procenata ili više mikroba za koje znamo da postoje u prirodi, a ne možemo ih kultivisati u laboratoriji“, rekao je Hvang, „sada smo u mogućnosti da sekvenciramo mikrobnu DNK bez kultivisanja onoga što je u okeanu ili zemljištu. I uz to, možemo se zapitati, ‘koji su virusi koji postoje i kakve su njihove interakcije?’
Pre nego što se pridružio Girguisovoj laboratoriji, Hvang je proučavao viruse u pustinjskim sredinama i primetio da su interakcije domaćin-virus u prirodi mnogo nijansiranije nego u laboratorijskim okruženjima. Dubokomorski otvori – za razliku od pustinjskog tla – sadrže velike mikrobne prostirke sa milijardama mikroba koji su uključeni u simbiotske odnose. Posmatrajući ova jedinstvena okruženja, istraživači su pitali, ako mikrobi žive u tako velikoj gustini, da li postoje virusi koji imaju šire „opsege domaćina?“ Drugim rečima, da li su bili sposobni da zaraze različite mikrobe?
Oni su sekvencirali DNK iz uzoraka i oporavili genome mikroba i virusa sastavljene u metagenom. Koristili su CRISPR odstojnike (koji kodiraju imunološku memoriju mikroba) da bi zaključili na koje viruse u uzorku je mikrob imun.
Da bi potvrdili svoje nalaze, koristili su noviju tehniku nazvanu Hi-C (high-propusno hvatanje konformacije hromozoma) sekvenciranje. Ako se virusna DNK pronađe unutar ćelije, Hi-C tehnika može sekvencirati umreženu virusnu i DNK domaćina. Pronalazeći statistički značajan kontakt između virusne DNK i mikrobne DNK, istraživači su mogli da potvrde svoje nalaze da se virusna DNK nalazi ne samo u jednoj vrsti ćelije, već i u filogenetski udaljenim ćelijama.
„CRISPR analiza razmaka i Hi-C podaci pokazali su upečatljiv obrazac da virusi genomski interaguju sa veoma udaljenim skupovima mikroba, posebno onih koji su u simbiozi jedni sa drugima“, rekao je Hvang, „ova interakcija rezultira veoma intrigantnim fenomenom gde simbiotski mikrobi nose imunološku memoriju protiv istih virusa, što znači da postoji prednost u saradnji simbiotičkih partnera koja postoji iu njihovom imunitetu. To smo videli u populacijama bakterija, ali to nismo videli kod udaljenih vrsta. Ovo je prilično dirljiv nalaz jer otkriva koliko je prirodno okruženje međusobno povezano.“
„Junha je veoma pametna što je osmislila eksperiment koji koristi mikrobne prostirke za ventilaciju kako bi bolje razumela ulogu virusa u staništima gde je gustina mikroba ludo visoka“, rekao je Girguis, „ona je takođe veoma pažljiva u traženju obrazaca u genomima i arheje i bakterije. CRISPR spacer i Hi-C podaci su nam pokazali da su bakterije na ovaj ili onaj način interagovale sa istim virusom kao i arheja, koja je potpuno divlja.“
Studija dovodi u pitanje konvencionalnu mudrost da virusi komuniciraju sa uskim skupom domaćina. I dok istraživači još uvek prikupljaju direktne dokaze o jednoj vrsti virusa koji inficira ova dva veoma različita domaćina, podaci jasno pokazuju dokaze da i bakterije i arheje imaju imunitet protiv istog virusa.
Ovi rezultati su naveli Hvanga i Girguisa da predlože različite modele interakcija domaćin-virus sa ekološkim i evolucionim implikacijama koje prevazilaze infekciju. Oni sugerišu da interakcije virusa sa mikrobima koji nisu primarni domaćini virusa mogu zapravo biti preovlađujuće u prirodi, posebno tamo gde mikrobi postoje u simbiotskom odnosu. Veoma je malo verovatno da isti virus može da zarazi i bakterije i arheje“, rekao je Hvang. „Umesto toga, predlažemo da je bilo koji partner stekao i zadržao imunitet nakon neinfektivnog susreta sa virusom, i/ili imunitet je horizontalno prenet između simbiotskih partnera.“
Polivalentna priroda interakcija domaćin-virus u prirodnom okruženju, i različiti načini interakcije izvan infekcije, predstavljaju važna razmatranja dok se istraživači kreću ka korišćenju virusa za biotehnološke i medicinske primene, kao što je terapija virusom u prirodnim sredinama kao što je creva.
„Ove interakcije domaćin-virus u prirodnom okruženju pokazuju da imunitet može da pređe velike filogenetske udaljenosti, što dovodi do toga da međupopulacije zajedno grade veću otpornost na viruse“, rekao je Hvang.
