Nya, aktiva virus funna på över 400 meters djup
Forskare som undersökt vattenfyllda sprickor i berggrunden på ner till 448 meters djup utanför Oskarshamn har funnit helt nya virus och ett levande bakterie- och virussamhälle. Fynden visar att virus är aktiva i dessa djupa grundvatten, och att deras livscykler och tillväxt där sker i en snabbare takt än man tidigare trott.
I berggrunden på närmare 500 meters djup under marken råder extrema förhållanden. Ändå finns där aktivt liv med både virus och bakterier. Det visar en studie som Karin Holmfeldt, docent i ekologi, genomfört tillsammans med kolleger från Linnéuniversitetet och från KTH, Uppsala universitet, SLU, Tyskland och USA.
– Genom storskalig sekvensering har vi hittat helt nya virus som infekterar många olika slags bakterier. Särskilt intressant var det att upptäcka virus som infekterar bakterier av den nyupptäckta gruppen Patescibakterier, något ingen gjort tidigare. Och virusen och bakterierna är aktiva. Genom att virusen dödar sina värdbakterier frigör de kol och näring, vilket gör att andra bakterier kan växa, säger Karin Holmfeldt.
Undersökningarna har gjorts vid det underjordiska Äspölaboratoriet norr om Oskarshamn. Forskarna har studerat virussamhället i tre vattenfyllda sprickor i berggrunden på 171, 415 och 448 meters djup under havsytan.
– Det finns vissa virusgrupper som hittades i alla tre grundvattnen. Vi trodde att virusen på 171 och 415 meter skulle vara mer lika varandra, då vattnets kemiska struktur där var liknande trots skillnaden i djup. Istället visade det sig att 415 delade hela sitt virussamhälle med 448, vilket förvånade oss.
Studien visar också att virus i dessa miljöer kan överföra arvsmassa mellan bakterier, vilket även inkluderar egenskaper som gör bakterier resistenta mot antibiotika. Det här betyder att naturlig antibiotikaresistens kan spridas även djupt ner i berggrunden.
Forskarnas studie publicerades 8 mars 2021 i Communications Biology, en tidskrift inom Nature publishing group. Vid Linnéuniversitetet har den genomförts inom ramen för Linnaeus University Centre for Ecology and Evolution in Microbial model Systems.
Mer information
- Karin Holmfeldt, docent i ekologi vid Linnéuniversitetet, 0480-44 73 10, karin.holmfeldt@lnu.se
- Läs studien: The Fennoscandian Shield deep terrestrial virosphere suggests slow motion ‘boom and burst’ cycles
Läs hela intervjun med Karin Holmfeldt – om livet fyrahundra meter under jord
Hur vill du sammanfatta vad er forskning handlar om?
– Vi har studerat virussamhällen i tre vattenfyllda sprickor i berggrunden vid Äspölaboratoriet norr om Oskarshamn. De ligger 171, 415 och 448 meter under havsytan. Trots att de båda första ligger långt från varandra, är den kemiska sammansättningen av deras vatten mer lik varandra än vattnen på 415 och 448 meter.
• Sekvensering är en process som används för att bestämma ordningen av kvävebaserna adenin, guanin, cytosin och tymin i DNA.
• DNA-sekvensen är den ärvda genetiska informationen i celler.
– I studien har vi undersökt virusen genom att sekvensera arvsmassan hos alla dubbelsträngade DNA-virus i de olika samhällena. Sedan har vi jämfört detta med sekvenser av de gener som uttrycks, som vi kallar det, vilket motsvarar att de är aktiva. Vi har funnit att de virus som finns i dessa miljöer skiljer sig från virus i andra miljöer.
– När vi jämförde miljöerna med varandra, hittade vi virus som fanns i alla tre samhällena, medan andra bara fanns på 171 eller 448 meter. De allra flesta virus fanns dock i både 415 och 448. Virusen var främst aktiva i 171, vilket stämmer överens med vad man tidigare sett för bakteriesamhällen, vilka virusen infekterar.
– Genom dataanalyser har vi kunnat koppla virusen till deras möjliga värdorganismer. I de genetiska analyserna har vi också kunnat visa att virusen har en stor variation av metabola gener och gener involverade i andra aktiviteter som inte är direkt kopplade till förökningen av virusen. Detta inbegriper antibiotikaresistens, vilket kan ge bakterier en konkurrensfördel, och gener kopplade till svavelmetabolism, vilket visar att virusen i sig är viktiga för svavelcykeln i dessa djupa miljöer.
Vilka är de viktigaste resultaten ni har kommit fram till?
– Vi har ökat förståelsen för den genetiska variationen av virus och kunnat beskriva helt nya virus som infekterar en stor variation av bakterier. Bland annat kunde vi identifiera virus som infekterar bakterier inom Patescibacteria. Det är en grupp bakterier som man har hittat i djupa, extrema miljöer, men man har hittills inte kunnat odla dem i laboratorier. Därför är våra analyser viktiga, då detta är första gången någon påvisat vilka virus som infekterar dessa bakterier.
– Vi har också kunnat visa att virus i dessa miljöer faktiskt är aktiva, vilket också betyder att bakterierna där är aktiva. I och med att virusen dödar sina värdbakterier frigör de även kol och näring, vilket gör att de andra bakterierna som inte är infekterade kan växa.
– Utifrån vår studie kan vi förstå att vi har ett aktivt bakterie- och virussamhälle i dessa extrema, djupa, näringsfattiga miljöer, vilket är viktigt för näringscykler och omsättningen av ämnen som kol och svavel.
Vad var tanken bakom studien?
– Eftersom vi inte vet något om virus i dessa miljöer är det viktigt att vi förstår vilka virusen är, vilka bakterier de kan infektera och vilken potential de har när det gäller att påverka bakteriers ämnesomsättning och överföring av genetiskt material.
Blev ni särskilt överraskade av något resultat?
– Vi hade trott att virussamhället i 171 och 415 skulle vara mer lika varandra, eftersom den kemiska strukturen av dessa vatten alltså var mer lika varandra. Men istället visade det sig att 415 delade hela sitt virussamhälle med 448. Det blev vi väldigt förvånade över.
På vilka sätt kan era rön ha praktisk betydelse i en vidare bemärkelse?
– I denna undersökning utför vi grundforskning där vi ökar förståelsen för det mikrobiella samhället i djupa miljöer. Tidigare forskning har visat att djupa miljöer innehåller den största reservoaren av organiskt kol på jorden och därför är det viktigt att förstå hur mikroorganismer recirkulerar detta kol. Där fyller virus en viktig roll i vår förståelse för kol och näringscykler i djupa miljöer.
Kommer ni att forska vidare inom samma område framöver?
– Ja, det hoppas vi. Det finns fortfarande mycket kvar att lära om virus i djupa miljöer. Vilka de är, vilka de infekterar, deras aktivitet och funktioner. Om vi skulle kunna isolera virus på laboratorier skulle det underlätta möjligheten att via experiment undersöka hur de påverkar sina värdorganismer.
Hur frigör virusen näring och kol?
– Virus som infekterar bakterier gör det i huvudsak på två sätt. Antingen infekterar de bakterien, tvingar bakterien att skapa nya virus, bakterien dör och virusen släpps ut. Detta kallas lytisk infektion. I det andra fallet, lysogen infektion, infekterar viruset bakterien. Sedan sätter sig virusets DNA, det vill säga arvsmassa, i bakteriens arvsmassa och ”åker snålskjuts” med bakterien när bakterien förökar sig. Detta fortsätter tills någon yttre faktor – vi har än så länge väldigt lite kunskap om exakt vad i naturen – får virusets DNA att hoppa ut och föröka sig via lytisk infektion.
– Kol och näring … När viruset dödar bakterien, kan andra bakterier äta upp den döda bakterien. På så sätt frigör virusen näring och kol som kan användas av andra bakterier för tillväxt. Detta är särskilt viktigt i näringsfattiga miljöer.
Hur fungerar det här med virus och värdbakterier?
– Precis som virus kan infektera människor och människor då blir värden, finns det förmodligen virus som infekterar alla andra levande organismer, även bakterier. De flesta virus i världen är troligen virus som infekterar bakterier, vilka är helt annorlunda än de som infekterar människor, växter och djur.
– Dock kan vi ha nytta av dem. Bland annat finns det virus som infekterar bakterier i våra magar och tarmar, där de skyddar oss genom att infektera och döda bakterier som skulle kunna ge oss sjukdomar. Många forskare undersöker även om vi kan använda virus istället för antibiotika vid bakterieinfektioner.
Hur förser virusen sina värdbakterier med gener?
– När virusens DNA sätter sig i bakteriens arvsmassa, alltså vid lysogen infektion, kan bakterierna använda sig av virusets gener. Gener som då kan vara intressanta är till exempel gener för antibiotikaresistens och metabolism av olika näringsämnen, vilket kan ge bakterierna fördelar i konkurrensen med andra bakterier.
– Det skulle också kunna vara gener som gör att bakterien kan ge sjukdomar hos människor, det har man sett hos bakterien som orsakar kolera hos människor. Generna som gör den bakterien farlig sitter egentligen i ett virus, som nu sitter i bakteriens arvsmassa. Dock har vi inte sett detta i vår studie, men det är ett exempel på hur virus som infekterar bakterier även påverkar oss.