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

In de donkere, zuurstofloze diepten van grondwater en riviersedimenten werkt een gespecialiseerde groep bacteriën onvermoeibaar aan het opruimen van door de mens veroorzaakte vervuiling. Deze microscopische werkers, bekend als Dehalococcoides, consumeren giftige gechloreerde chemicaliën die in de aarde zijn gesijpeld, breken deze af en maken ze onschadelijk. Ze zijn essentieel voor het herstellen van vervuilde locaties, maar ze zijn ook kwetsbaar en moeilijk in isolatie te bestuderen. Net als alle levende wezens zijn deze bacteriën niet slechts statische cellen; ze interageren voortdurend met een verborgen wereld van genetisch materiaal dat tussen hen heen en weer beweegt. Dit mobiele genetische materiaal kan worden beschouwd als een bibliotheek van instructies die bacteriën kunnen uitwisselen, lenen of met zich meedragen, wat hun functie soms verandert of hen helpt te overleven in barre omstandigheden. Het begrijpen van wat er in en rond deze bacteriën leeft, is cruciaal, omdat de instrumenten die zij gebruiken om te overleven en onze omgeving schoon te maken, vaak verborgen liggen binnen deze kleine, verschuivende genetische pakketjes.

Wetenschappers weten al lang dat Dehalococcoides een verrassende hoeveelheid van dit mobiele genetische materiaal bevat, ondanks het hebben van zeer kleine genomen. Een nieuwe studie heeft zich nu gericht op een specifieke, overvloedige familie van deze elementen, die de onderzoekers IME1 hebben genoemd. Door monsters te onderzoeken van een gemengde bacteriecultuur bekend als KB-1, waarin Dehalococcoides gedijt, ontdekte het team dat deze elementen niet slechts zeldzame curiositeiten zijn, maar daadwerkelijk de dominante vorm van genetisch materiaal zijn in de virale fracties van het monster. De onderzoekers analyseerden eenentwintig van deze elementen, twintig afkomstig van Dehalococcoides en één van een verwante bacterie genaamd Dehalogenimonas alkenigignens. Ze ontdekten dat elk van deze elementen een aanzienlijk stuk genetische code is, variërend in grootte van 20.930 tot 28.058 basenparen. Deze elementen bestaan in twee vormen: soms zijn ze direct in het eigen DNA van de bacteriën genesteld, en andere keren zweven ze vrij als circulaire lussen buiten het hoofdgenoom.

Wanneer het team nauwkeurig keek naar de eiwitten die deze elementen produceren, vonden ze een zeer consistente structuur. Elk van de eenentwintig elementen bevatte dezelfde veertien groepen verwante eiwitten, wat wijst op een gedeeld, oeroud blauwdruk. Echter, deze elementen zien er niet uit als de typische virussen waar wetenschappers gewoonlijk mee bekend zijn. De meeste bacteriële virussen zijn gevormd als kleine kikkertjes met een kop en een staart, maar de door IME1 gecodeerde eiwitten missen de specifieke kenmerken die deze geteilde virussen definiëren. In plaats daarvan wijst de genetische code naar een totaal andere vorm. De onderzoekers ontdekten dat een van de sleutelproteïnen in deze elementen zeer vergelijkbaar is met een specifieke energieproducerende machine die wordt gevonden in filamenteuze bacteriële virussen, die lang, dun en flexibel zijn. Bovendien coderen de elementen verschillende kleine eiwitten die ontwor zijn om door celmembranen heen te prikken, een kenmerk dat ook wordt gezien bij filamenteuze virussen en bij bepaalde virussen die archaea infecteren, een ander domein van eencellige levensvormen.

Het bewijs voor wat deze elementen werkelijk zijn, kwam voort uit het kijken naar de fysieke wereld, niet alleen naar de genetische code. Toen de onderzoekers monsters van de KB-1 cultuur namen en de virale deeltjes eruit filterden, vonden ze dat deze IME1-elementen het meest overvloedige genetische materiaal aanwezig waren. Onder een elektronenmicroscoop onthulden de virale fracties een zee van lange, draadvormige deeltjes. Deze visuele bevestiging, gecombineerd met de genetische aanwijzingen, leidde de onderzoekers ertoe om voor te stellen dat IME1 een volledig nieuwe lijn van virussen vertegenwoordigt. Ze beschrijven hen als waarschijnlijk dubbelstrengs, uitsperende (budding) virussen die een filamenteuze vorm aannemen. Hoewel de studie bevestigt dat deze elementen wijdverspreid zijn binnen de Dehalococcoides-bacteriën en een paar verwante soorten in de Chlorofexota-fylum, lijken ze beperkt tot deze specifieke groep bacteriën en zijn ze nog niet elders gevonden. Deze ontdekking breidt ons begrip van de virale wereld uit, door te laten zien dat zelfs in de meest gespecialiseerde omgevingen de natuur unieke en overvloedige vormen van virale levens heeft geëvolueerd die anders functioneren dan de bekende modellen.