В пресноводных озерах микробы регулируют поток углерода и определяют, служат ли водоемы поглотителями или источниками углерода. В частности, водоросли и цианобактерии могут улавливать и использовать углерод, но на их способность это делать могут влиять вирусы. Вирусы существуют среди всех бактерий, обычно в 10-кратном избытке, и состоят из различных размеров, начиная от гигантских вирусов и заканчивая гораздо меньшими вирусами, известными как вирофаги (которые живут в гигантских вирусах и используют свой механизм для репликации и распространения.) Вирофаги могут изменить способ взаимодействия гигантского вируса с эукариотической клеткой-хозяином. Например, если водоросли коинфицированы вирофагом и гигантским вирусом, вирофаг ограничивает способность гигантского вируса к эффективной репликации. Это снижает воздействие гигантского вируса на утечку питательных веществ, позволяя водорослям-хозяевам размножаться, что может привести к более частому цветению водорослей.
Используя наборы метагеномных данных, собранные в течение нескольких лет в северных пресноводных озерах, команда под руководством исследователей из Университета штата Огайо и Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI), пользовательского центра Министерства энергетики США, обнаружили 25 новых последовательностей вирофагов. Как сообщалось 11 октября 2017 года в Nature Communications, идентификация этих новых последовательностей эффективно удваивает количество вирофагов, известных с момента их открытия десять лет назад.
«Обычно наборы метагеномных данных являются одноразовыми», - сказал ученый DOE JGI и первый автор Саймон Ру.«Люди начали видеть вирофаги в метагеномах, но до сих пор ни у кого не было длинных временных рядов. Был ли он здесь однажды? Всегда? Мы никогда не знали этого, но это важная информация для понимания их важности».
Работа была основана на предложении Общественной научной программы (CSP) с участием северных пресноводных озер К. Т. (Трина) МакМахон из Университета Висконсин-Мэдисон. Образцы микробных сообществ в озере Мендота и озере Форелевое болото регулярно собирались в течение нескольких лет в рамках финансируемого NSF проекта долгосрочных экологических исследований северных умеренных озер (NTL-LTER) Национального научного фонда. Секвенирование и анализ этих метагеномов по 3-летнему и 5-летнему временному ряду позволяет исследователям идентифицировать членов сообщества, определять пути их метаболизма и отслеживать изменения в сообществах в течение нескольких лет..
Помимо изучения микробных сообществ, МакМахон и Рекс Мальмстром, глава группы микромасштабных приложений DOE JGI, спросили сотрудника Мэтта Салливана из Университета штата Огайо, не заинтересован ли он в использовании тех же наборов метагеномных данных. посмотреть на вирусную экологию озер. Ру начал анализировать наборы данных, еще будучи научным сотрудником в лаборатории Салливана. «Я знал, что в данных последовательности было много вирусов, но не знал, что некоторые вирусы сами являются хозяевами других вирусов», - сказал Мальмстром. «С данными временных рядов мы могли бы сделать больше, чем собрать геном и построить филогенетические деревья. Данные позволили нам изучить генетическую изменчивость в популяциях и найти закономерности совместного появления и распространенности между вирофагами и их гигантскими вирусами-хозяевами. С таким количеством временных точек в набор данных, вы можете найти прочные связи."
Трина МакМахон, чьи наборы данных CSP легли в основу этой работы, говорит, что наличие информации об экологии вирусов помогает составить более полную картину экосистемы. «Мы очень рады, что у нас есть еще одна часть головоломки. Вирусы явно играют важную роль в формировании состава сообщества и, следовательно, функционировании всей экосистемы озера. В моей собственной лаборатории не хватает опыта для борьбы с вирусами в одиночку, поэтому сотрудничество с Саймоном и Мэтт Салливан так важен. Наша долгосрочная цель состоит в том, чтобы узнать достаточно о силах, контролирующих формирование и динамику сообщества, а также об экологических особенностях каждой линии, чтобы создать более предсказуемые модели того, как пресноводные озера будут реагировать на изменение климата и землепользования в будущем. масштаб экосистемы."
Помимо удвоения числа вирофагов в общедоступных базах данных, временные ряды позволили Ру и его коллегам увидеть экологические профили вирусов, если такие факторы, как времена года или обилие определенных микробов, повлияли на их собственное присутствие. С помощью анализа совместной встречаемости исследователи связали вирофаги с последовательностями известных линий гигантских вирусов и предположили существование 3 новых групп потенциальных гигантских вирусов, инфицированных вирофагами. Этот анализ одновременности также позволил им обнаружить предполагаемые связи между последовательностями гигантских вирусов и конкретными эукариотическими хозяевами.
«Эти результаты основаны на корреляции, - отметил Ру, - но это хороший пример применения метагеномики. Метагеномы помогли нам не только обнаружить новое вирусное разнообразие и определить, что он должен делать в экосистеме, но и разработать гипотезу и последующие эксперименты о взаимодействии вируса с хозяином, так что мы не просто слепо выбрасываем широкую сеть».