Estudo sugere que vírus reprogramam pelo menos 1/3 dos processos metabólicos.
Por Universidade Estadual de Ohio com informações Science Daily.
Os micróbios que ciclam nutrientes no oceano não fazem o trabalho sozinhos — os vírus que os infectam também influenciam o processo. É um trabalho vital para o resto do planeta, permitindo que os oceanos absorvam metade do carbono gerado pelo homem na atmosfera e produzam metade do oxigênio que respiramos.
Um novo estudo aproxima os cientistas de uma compreensão mais completa de onde os vírus se encaixam no quadro global do oceano de nutrientes cíclicos, como nitrogênio, fósforo e, de particular interesse, carbono. A pesquisa expande amplamente uma descoberta de 20 anos atrás de que genes podem ser trocados entre vírus e as células fotossintéticas que eles infectam e consolida dados resultantes de mais de 100 artigos sobre vírus e metabolismo que se seguiram.
A equipe de pesquisa, liderada pela Ohio State University, relata no periódico Microbiome sobre sua criação de um catálogo de genes que os vírus “roubaram” dos micróbios marinhos que infectaram em todos os oceanos do mundo. Cientistas identificaram e organizaram quase 23.000 genes conhecidos como genes metabólicos auxiliares (AMGs), incluindo mais de 7.000 nunca documentados anteriormente. A análise sugere que cerca de 1 em cada 5 populações de vírus oceânicos carrega pelo menos um AMG.
Adicionando ainda mais contexto ao papel dos vírus, os pesquisadores mapearam 340 vias metabólicas atribuídas a micróbios nos oceanos — mudanças no equilíbrio de nutrientes resultantes de organismos consumindo e gerando moléculas com base em suas necessidades de sobrevivência. Destes, os cientistas descobriram que AMGs virais mapearam 128 vias — o que significa que os vírus afetaram mais de 37% desses processos.
“Ainda não sabemos a extensão do impacto dos vírus. Mas agora que conhecemos os caminhos que os vírus atacam por meio de AMGs, poderíamos usar abordagens de modelagem metabólica para estimar quantitativamente o impacto viral nas comunidades hospedeiras e no funcionamento do oceano”, disse o primeiro autor do estudo, Funing Tian, que concluiu o trabalho como aluno de doutorado em microbiologia na Ohio State.
“O trabalho de modelagem futuro pode envolver o aumento ou a diminuição dos fluxos metabólicos que ocorrem por meio dessas vias e observar como o impacto dos vírus mudaria.”
Tian e seu coautor principal, o ex-bolsista de pós-doutorado em microbiologia da Universidade Estadual de Ohio, James Wainaina, se concentraram em vírus de DNA que infectam procariontes: bactérias e outros organismos unicelulares que flutuam pelos oceanos do mundo.
Wainaina e Tian eram membros do laboratório liderado pelo autor sênior do estudo, Matthew Sullivan, professor de microbiologia e diretor fundador do Centro de Ciência do Microbioma da Universidade Estadual de Ohio.
Sullivan foi o coordenador de vírus do Tara Oceans Consortium, um estudo global de três anos sobre o impacto das mudanças climáticas nos oceanos do mundo. Como parte dessa colaboração internacional, ele liderou trabalhos anteriores para catalogar cerca de 200.000 espécies de vírus de DNA e 5.500 de RNA nos oceanos, e para verificar o potencial dos vírus para mitigar as mudanças climáticas.
Tian e Wainaina analisaram 7,6 terabytes de dados de sequência metagenômica de Tara Oceans para este estudo, aumentando as populações conhecidas de vírus de DNA oceânico para 579.904. A partir dessas populações, a equipe tomou muitas etapas computacionais para identificar os genes metabólicos auxiliares localizados nos genomas dos vírus.
Eles identificaram conservadoramente um total de 86.913 AMGs que se agruparam em 22.779 grupos de genes baseados em sequência. Destes, 7.248 foram identificados pela primeira vez. Os vírus retiram esses genes das células microbianas que infectam e os incorporam em seu próprio genoma — dando a eles o poder de reprogramar a função de uma célula hospedeira de uma forma que garanta a sobrevivência viral.
“O desafio com genes metabólicos auxiliares é que as pessoas sabem que eles estão lá, mas o gene é semelhante à cópia celular — o que torna importante diferenciar entre a cópia viral e a cópia microbiana”, disse Wainaina.
“Para minimizar falsos positivos, realizamos etapas de curadoria para garantir que nos concentrássemos apenas em AMGs que estavam em segmentos do genoma viral”, disse Tian.
Eles então analisaram ainda mais os dados genômicos para determinar vias metabólicas — cada uma delas uma série de ações relacionadas que alteram a função de uma célula — que poderiam ser rastreadas até espécies microbianas específicas, revelando 340 dessas vias. Com seu novo catálogo de genes “roubados”, os pesquisadores descobriram que 128 dessas vias eram alvos de AMGs virais.
“Essa é nossa grande descoberta”, disse Tian. “Antes deste artigo, não se sabia quantas vias metabólicas eram codificadas em micróbios por todos os oceanos globais, e ainda menos compreendido entre aqueles quantos eram alvos de vírus via AMGs.”
Wainaina acrescentou: “Não se trata apenas do número, mas também de quais vias específicas os vírus estão envolvidos — isso informa os ciclos biogeoquímicos que os vírus estão reprogramando e manipulando no oceano.”
O catálogo AMG e o mapeamento da via metabólica fornecem uma base para experimentação e modelagem de engenharia de microbioma que ajudará os pesquisadores a fazer previsões mais precisas sobre o papel dos vírus nos processos biogeoquímicos oceânicos, disse Sullivan.
“A maioria dos modelos atuais não inclui vírus, e apenas alguns incluem micróbios”, disse ele. “É emocionante que tenhamos gerado esses dados que são essenciais para trazer vírus e seus impactos para novos modelos preditivos.”
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation, pelo Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, pela Canada Foundation for Innovation, pelas G. Unger Vetlese e Ambrose Monell Foundations e pelo Ohio Supercomputer Center.
Tian é agora um bioinformata na Universidade de Chicago, e Wainaina é um cientista assistente no Departamento de Biologia da Woods Hole Oceanographic Institution. Outros coautores incluem Cristina Howard-Varona, Guillermo Domínguez-Huerta, Benjamin Bolduc, Garrett Smith, Marissa Gittrich, Olivier Zablocki e Dylan Cronin da Ohio State; Maria Consuelo Gazitúa da Viromica Consulting; Damien Eveillard da Nantes Université; e Steven Hallam da University of British Columbia.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Ohio State University . Original escrito por Emily Caldwell. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e ao comprimento.
Referência do periódico :
Funing Tian, James M. Wainaina, Cristina Howard-Varona, Guillermo Domínguez-Huerta, Benjamin Bolduc, Maria Consuelo Gazitúa, Garrett Smith, Marissa R. Gittrich, Olivier Zablocki, Dylan R. Cronin, Damien Eveillard, Steven J. Hallam, Matthew B. Sullivan. Prokaryotic-virus-encoded auxiliary metabolic genes throughout the global oceans. Microbiome, 2024; 12 (1) DOI: 10.1186/s40168-024-01876-z
