Marina mikrober kontrollerar flödet av materia och energi som är avgörande för livet i haven. Bland dem står bakteriegruppen SAR11 för cirka en tredjedel av alla bakterier som finns i havens ytvatten.
En studie av forskare från Max Planck Institute for Marine Microbiology i Bremen, Tyskland, visar nu att nästan 20% av SAR11-cellerna ibland är infekterade av virus, vilket avsevärt minskar det totala cellantalet. Virusen kan också förvandla dessa en gång så välmående bakterier till zombier, ett fenomen som observerats för första gången och som är utbrett i haven. Arbetet publiceras i tidskriften Nature Communications.
Havsvattnet kring den tyska ön Helgoland är en idealisk miljö för att studera vårblomning av alger, något som Max Planck Institute for Marine Microbiology har fokuserat på sedan 2009.
I en tidigare studie observerade Max Planck-forskarna att en grupp bakterier som kallas SAR11 växte särskilt snabbt under dessa blomningar. Men trots den höga tillväxttakten minskade mängden SAR11 med cirka 90 procent under fem dagar. Detta tyder på att cellerna snabbt decimerades av rovdjur och/eller virusinfektioner. Nu har Max Planck-forskarna undersökt exakt vad som ligger bakom detta fenomen.
Hitta fagerna som infekterar SAR11
”Vi ville ta reda på om det låga antalet SAR11 orsakades av fager, det vill säga virus som specifikt infekterar bakterier”, förklarar Jan Brüwer, som genomförde studien som en del av sin doktorsavhandling. ”Att besvara denna till synes enkla fråga var metodologiskt mycket utmanande.”
Hur fungerar faginfektion? Fager infekterar bakterier genom att föra in sitt genetiska material i dem. Väl där replikerar fagen och använder bakteriens ribosomer för att producera de proteiner som den behöver. Forskarna från Bremen använde sig av en teknik som gjorde det möjligt för dem att ”följa” fagens genetiska material inuti cellen.
”Vi kan färga in de specifika faggenerna och sedan se dem i mikroskopet. Eftersom vi också kan färga in SAR11:s genetiska material kan vi samtidigt upptäcka faginfekterade SAR11-celler”, förklarar Brüwer.
Detta kan tyckas enkelt, men faggenernas låga ljusstyrka och ringa storlek gjorde det svårt för forskarna att upptäcka dem. Trots det lyckades man analysera tusentals mikroskopbilder, vilket gav spännande nyheter.
”Vi såg att SAR11-bakterier är under massiv attack av fager”, säger Brüwer. ”Under perioder av snabb tillväxt, t.ex. i samband med vårens algblomning, var nästan 20% av cellerna infekterade, vilket förklarar det låga cellantalet. Fager är alltså den felande länken som förklarar detta mysterium.”
Zombieceller: Ett globalt fenomen
Till forskarnas förvåning avslöjade bilderna ännu mer. ”Vi upptäckte att vissa av de faginfekterade SAR11-cellerna inte längre innehöll ribosomer. Dessa celler befinner sig troligen i ett övergångsstadium mellan liv och död, och därför kallade vi dem för ”zombieceller””, förklarar Brüwer.
Zombieceller är ett nytt fenomen som observerats inte bara i rena SAR11-kulturer utan även i prover som samlats in utanför Helgoland. Dessutom visade analyser av prover från Atlanten, Södra oceanen och Stilla havet att det fanns zombieceller, vilket tyder på att fenomenet förekommer över hela världen.
”I vår studie utgör zombiecellerna upp till 10% av alla celler i havet. Den globala förekomsten av zombieceller breddar vår förståelse av virusinfektionens cykel”, understryker Brüwer. ”Vi misstänker att de nukleinsyror som finns i ribosomerna i zombiecellerna bryts ned och återvinns för att skapa nytt fag-DNA.”
Brüwer och hans kollegor antar att inte bara SAR11-bakterier, utan även andra bakterier, kan förvandlas till zombier. De vill därför ytterligare undersöka fördelningen av zombieceller och deras roll i den virala infektionscykeln.
”Det här nya fyndet visar att SAR11-populationen, trots att den delar sig så snabbt, i hög grad styrs och regleras av fager”, säger Brüwer.
”SAR11 är mycket viktig för globala biogeokemiska cykler, inklusive kolcykeln, och därför måste deras roll i havet omdefinieras. Vårt arbete belyser fagernas roll i det marina ekosystemet och vikten av mikrobiella interaktioner i havet.”
Ytterligare information: Jan D. Brüwer et al, Globally occurring pelagiphage infections create ribosome-deprived cells, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48172-w
