Virus engañan a bacterias para que trabajen para ellos

ORIGINAL: MIT News

26 de enero 2012

La coevolución de huésped y anfitrión le permite a un virus controlar las máquinas biológicas de su anfitrión. Denise Brehm, Ingeniería Civil y Ambiental

Imagen de microscopio electrónico de la transmisión del virus de Prochlorococcus. Obtenida por: Simon Labrie y Zeng Qinglu

Investigadores del MIT han descubierto que ciertas bacterias fotosintéticas marinas debe tener cuidado con los virus que les traen "regalos": Estos virus transportan material genético extraído de sus huéspedes bacterianos anteriores que engañan al nuevo huésped en el uso de su propia maquinaria para activar los genes, un proceso que nunca antes se ha documentado en cualquier relación virus-bacteria.

Con el se produce cuando un virus inyecta su ADN en una bacteria que viven en una región hambrienta de fósforo del océano. Estas bacterias, desesperadas por la falta de fósforo - que utilizan como un nutriente - tienen  un macanismo de recolección de fósforo de alto rendimiento. El virus detecta el estrés del huésped y ofrece lo que parece una mano de ayuda: los genes bacterianos casi idénticos a la del propio huésped que permiten al anfitrión obtener más fósforo. El  anfitrión utiliza los genes -, pero el fósforo adicional está destinado principalmente hacia el apoyo en la replicación del propio ADN del virus.

Una vez que el proceso esté completo, alrededor de 10 horas después de la infección, el virus hace explotar a su anfitrión, liberando virus de la progenie de nuevo en el océano, donde se puede invadir otras bacterias y repetir este proceso. La recolección de fósforo adicional proporcionada por los genes del virus son mantener su ciclo de reproducción en la fecha prevista.

En esencia, los virus o fagos, están cooptando un componente muy sofisticado del anfitrión, el mecanismo regulador para mejorar su propia reproducción - algo que nunca antes ha sido documentado en una relación virus-bacteria.

"Esta es la primera demostración en un virus de cualquier tipo - incluso las que están muy estudiadas en la investigación biomédica - de la explotación de este tipo de mecanismos de regulación en una célula huésped, y se ha desarrollado en respuesta a las presiones de selección de extrema limitación de fósforo en muchas partes del los océanos del mundo ", dice Sallie "Penny" W. Chisholm, una profesora de ingeniería civil y ambiental (CEE) y la biología en el MIT, quien es la principal investigadora y co-autora de un artículo publicado en la edición 24 de enero de la revista Current Biology. "Los fagos han desarrollado la capacidad para detectar el grado de estrés de fósforo en el huésped que está infectando y capturadon, con el tiempo evolutivo, algunos componentes de la maquinaria de la bacteria para superar la limitación".

Chisholm y co-autor Zeng Qinglu, un post-doctorado CEE, realizó esta investigación con el Prochlorococcus bacteria y su pariente cercano, Synechococcus, que en conjunto producen alrededor de una sexta parte del oxígeno en la atmósfera terrestre. Prochlorococcus es de aproximadamente un micrón de diámetro y pueden alcanzar densidades de hasta 100 millones por litro de agua de mar; Synechococcus es sólo ligeramente más grande y un poco menos abundante. Los virus que atacan a las bacterias, llamada cyanophages, son aún más abundantes.

El mecanismo de las bacterias en el juego que se llama sistema de regulación de dos componentes, que se refiere a la capacidad del microbio para detectar y responder a las condiciones ambientales externas. Este sistema le indica a las bacterias cuándo producir proteínas adicionales que se unan al fósforo y lo pongam en la célula. El gen transportado por el virus se codifica esta misma proteína.

"Tanto los fagos y bacterias anfitrionas tienen los genes que producen las proteínas de unión de fósforo, y hemos encontrado que ambos pueden ser regulados por el sistema regulador dos componentes del anfitrión", dice Zeng. "El lado positivo de la infección para las bacterias es que obtendrá más enlaces para el fósforo de los fagos y tal vez más fósforo, a pesar de que las bacterias se están muriendo y los fagos en realidad está utilizando el fósforo para sus propios fines."

En 2010, Chisholm y Maureen Coleman, ahora un profesor asistente en la Universidad de Chicago, demostraron que las poblaciones de vida Prochlorococcus en el Océano Atlántico se había adaptado a las limitaciones de fósforo de que el medio ambiente mediante el desarrollo de más genes específicamente relacionados con la depuración de fósforo. Esto resultó ser la única diferencia entre esas poblaciones y sus homólogos que viven en el Océano Pacífico, que es más rico en fósforo, lo que indica que la variación es el resultado de la adaptación evolutiva al medio ambiente.

La nueva investigación indica que los fagos que infectan a las bacterias han evolucionado igualmente con sus anfitriones.

"Estos virus ... han adquirido genes de una vía metabólica de las células de su huésped ", dice David Shub, profesor de ciencias biológicas en la Universidad Estatal de Nueva York, en Albany, que no participó en esta investigación. "Ahora Zeng y Chisholm han demostrado que estos genes virales en particular están reguladas por la cantidad de fosfato en el medio ambiente, y que utilizan las proteínas reguladoras ya están presentes en las células de su huésped en el momento de la infección. La importancia de este trabajo es la revelación de una interrelación muy estrecha entre la evolución de esta bacteria en particular y los virus que tratan de destruirla. "

"Hemos llegado a pensar que todo este sistema como otro poco de evidencia de la increíble intimidad de la relación de los fagos y anfitriones", dice Chisholm, cuyos próximos pasos son explorar las funciones de todos los genes de estos fagos marinos adquiridas de las células huésped para aprender más acerca de las presiones selectivas que afectan a las interacciones huésped-fago en los océanos abiertos. "La mayoría de lo que entendemos por fagos y bacterias ha llegado a partir de microorganismos modelo utilizado en la investigación biomédica. El entorno del cuerpo humano es radicalmente diferente de la de los océanos abiertos, y estos fagos oceánicos tienen mucho que enseñarnos acerca de los procesos biológicos fundamentales. "

Esta investigación fue financiada en parte por la Gordon and Betty Moore Foundation, el programa de la Fundación Nacional de Ciencias Biológicas y CMORE programa de Oceanografía y el Departamento de Energía de EE.UU..