A novel virus lineage is abundant in metaviromes from Dehalococcoides-containing mixed cultures

In den dunklen, sauerstofffreien Tiefen von Grundwasser und Flusssedimenten arbeitet eine spezialisierte Gruppe von Bakterien unermüdlich daran, menschengemachte Verschmutzungen zu beseitigen. Diese mikroskopisch kleinen Arbeiter, bekannt als Dehalococcoides, verzehren toxische chlorierte Chemikalien, die in die Erde gesickert sind, bauen sie ab und machen sie harmlos. Sie sind essenziell für die Sanierung kontaminierter Standorte, doch sie sind auch fragil und schwierig isoliert zu untersuchen. Wie alle Lebewesen sind auch diese Bakterien nicht bloß statische Zellen; sie interagieren ständig mit einer verborgenen Welt aus genetischem Material, das sich zwischen ihnen bewegt. Dieses mobile genetische Material kann als eine Bibliothek von Anweisungen betrachtet werden, die Bakterien tauschen, ausleihen oder mit sich führen können, was manchmal ihre Funktionsweise verändert oder ihnen hilft, unter harten Bedingungen zu überleben. Zu verstehen, was in und um diese Bakterien lebt, ist entscheidend, denn die Werkzeuge, die sie nutzen, um in unserer Umwelt zu überleben und diese zu reinigen, sind oft in diesen winzigen, sich verändernden genetischen Paketen verborgen.

Wissenschaftler wissen schon lange, dass Dehalococcoides eine überraschende Menge dieses mobilen genetischen Materials in sich tragen, obwohl sie sehr kleine Genome besitzen. Eine neue Studie hat sich nun auf eine spezifische, reichlich vorhandene Familie dieser Elemente konzentriert, die die Forscher als IME1 bezeichnet haben. Durch die Untersuchung von Proben aus einer Mischkultur von Bakterien, die als KB-1 bekannt ist und in der Dehalococcoides gedeiht, entdeckte das Team, dass diese Elemente keine seltenen Kuriositäten sind, sondern tatsächlich die dominante Form des genetischen Materials in den Virusfraktionen der Probe darstellen. Die Forscher analysierten einundzwanzig dieser Elemente, zwanzig davon aus Dehalococcoides und eines aus einem verwandten Bakterium namens Dehalogenimonas alkenigignens. Sie fanden heraus, dass jedes dieser Elemente ein beträchtlicher Brocken genetischer Code ist, dessen Größe zwischen 20.930 und 28.058 Basenpaaren liegt. Diese Elemente existieren in zwei Formen: Manchmal sind sie direkt in die eigene DNA der Bakterien eingenäht, und ein anderes Mal schwimmen sie als kreisförmige Schleifen frei außerhalb des Hauptgenoms.

Als das Team die Proteine untersuchte, die diese Elemente erzeugen, fand es eine hochgradig konsistente Struktur. Jedes der einundzwanzig Elemente enthielt dieselben vierzehn Gruppen verwandter Proteine, was auf einen gemeinsamen, uralten Bauplan hindeutet. Diese Elemente sehen jedoch nicht wie die typischen Viren aus, die Wissenschaftler normalerweise vorfinden. Die meisten Bakteriophagen sind wie winzige Kaulquappen mit einem Kopf und einem Schwanz geformt, aber die von IME1 kodierten Proteine lassen die spezifischen Merkmale vermissen, die diese Schwanzviren definieren. Stattdessen deutet der genetische Code auf eine völlig andere Form hin. Die Forscher fanden heraus, dass eines der Schlüsselproteine in diesen Elementen einer spezifischen, energieerzeugenden Maschine sehr ähnlich ist, die in filamentösen Bakteriophagen vorkommt, welche lang, dünn und flexibel sind. Darüber hinaus kodieren die Elemente mehrere kleine Proteine, die darauf ausgelegt sind, Zellmembranen zu durchdringen – ein Merkmal, das auch bei filamentösen Viren und bei bestimmten Viren vorkommt, die Archaeen infizieren, einer anderen Domäne einzelleriger Lebensformen.

Die Beweise dafür, was diese Elemente tatsächlich sind, ergaben sich aus dem Blick auf die physische Welt, nicht nur auf den genetischen Code. Als die Forscher Proben aus der KB-1-Kultur nahmen und die Viruspartikel herausfilterten, fanden sie heraus, dass diese IME1-Elemente das am häufigsten vorkommende genetische Material darstellten. Unter einem Elektronenmikroskop enthüllten die Virusfraktionen eine Menge langer, fadenförmiger Partikel. Diese visuelle Bestätigung, kombiniert mit den genetischen Hinweisen, führte die Forscher zu dem Vorschlag, dass IME1 eine völlig neue Linie von Viren darstellt. Sie beschreiben sie als wahrscheinlich doppelsträngige, knospende Viren, die eine filamentöse Form annehmen. Während die Studie bestätigt, dass diese Elemente weit verbreitet innerhalb der Dehalococcoides-Bakterien und einiger verwandter Arten im Phylum der Chlorofexota sind, scheinen sie auf diese spezifische Gruppe von Bakterien beschränkt zu sein und wurden bisher nirgendwo sonst gefunden. Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der viralen Welt und zeigt, dass selbst in den spezialisiertesten Umgebungen die Natur einzigartige und reichlich vorhandene Formen des viralen Lebens hervorgebracht hat, die anders funktionieren als die bekannten Modelle.