VIRUS HAVBUNDENS MINDSTE

Transkript

1 VIRUS HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE Det er ikke nogen behagelig tanke, men når man står med bare tæer på sandbunden en sommerdag, har man faktisk et sandt mylder af bakterier og virus under fødderne og mellem tæerne. Ca. 10 mia. bakterier og 100 mia. virus under en almindelig størrelse 42 (fig. 1). Og udbredelsen begrænser sig ikke til havbunden. Virus findes i enorme antal fra havoverfladen og ned til bunden af de dybeste oceaner og er ubetinget den talrigeste livsform i Af Mathias Middelboe & Ronnie N. Glud havet (fig. 2). Med et samlet antal af virus på omkring 10 30, udgør de en gigantisk pulje af en endnu stort set uudforsket genetisk og funktionel diversitet i verdenshavene (fig. 3). Hver virus indeholder ca. 0,2 femtogram (10-15 g) kulstof, svarende til at den samlede biomasse af virus i verdenshavene er omkring 200 Megaton (10 6 ton) kulstof eller det samme som kulstofindholdet i 75 mio. blåhvaler. Dette placerer biomassen af virus som den næststørste i havet, kun overgået af havets bakterier. Med en gennemsnitslængde på ca. 100 nm (nanometer = 10-9 m) ville A B 1. A: En sedimentkerne udtaget fra havbunden i Øresund viser at der er store forskelle i sedimentets udseende ned gennem bunden. Ilten når kun få millimeter ned, længere nede er der iltfrit. De forskellige farver i lagene karakteriserer forskellige kemiske processer og afspejler iltningsgraden. De sorte lag er jernsulfid-holdige. Virustætheden er normalt højest i den øverste, iltholdige zone (ca virus pr. cm 3 ), men også i de underliggende iltfri lag findes aktive virussamfund i stort antal (større end 10 8 virus pr. cm 3 ). Generelt afspejler virustætheden den bakterielle aktivitet, og antallet aftager derfor, når man kommer dybere ned i havbunden. En kerne som den der vises her, indeholder omkring 100 mia. (10 11 ) virus. B: I en enkelt cm 3 havbund, svarende til det der ligger på 2-kronen, findes omkring virus og bakterier. (M. Middelboe). 32 4/2006 VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE

2 2. Virus og bakterier farvet med et fluorescerende farvestof. De små lysende prikker (hvid pil) er virus, mens de større og mere aflange former er bakterieceller (blå pil). (M. Middelboe) alle havets virus lagt på en række nå 10 mio. lysår ud i rummet, svarende til 100 afstanden til den fjerneste ende af vores galakse. Men virus er ikke kun interessante fordi de er mange. Hvor man tidligere mest forbandt virus med infektionssygdomme hos højere organismer, ved man nu at også bakteriesamfund overalt er under konstant og massiv påvirkning fra virusangreb. Et angreb der har drastiske effekter på alle niveauer i økosystemet. De seneste års forskning har vist at virus spiller en helt central rolle i havet hvor de har en enorm indflydelse på de mikrobielle processer og samspillet mellem organismerne og på den verdensomspændende omsætning af kulstof og næringssalte i havet. En vigtig egenskab ved virus er at de i høj grad er specifikke i deres valg af værtscelle. Det betyder at én bestemt type virus normalt kun er i stand til at inficere én stamme af bakterier. En konsekvens af denne egenskab er at virus kan have stor indflydelse på sammensætningen af bakteriesamfundet. Som i forbindelse med andre virussygdomme, er der også blandt bakterier en vis andel der er modstandsdygtige (resistente) over for en bestemt virus. Derudover er virus ved mutation løbende i stand til at tilpasse sig og inficere nye bakterieformer der hele tiden opstår. Det konstante våbenkapløb som foregår mellem virus og bakterier, er derfor en af de drivende kræfter i udviklingen af den enorme mangfoldighed der karakteriserer havets samfund af virus og bakterier. Langt den overvejende del af den VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE 2006/4 33

3 3. Et udvalg af de forskellige typer af virus der kan findes i en havbundsprøve. De fleste har en karakteristisk struktur med et afrundet hoved hvor arvematerialet befinder sig, og en hale der anvendes ved fasthæftning til værtscellen. Der findes dog også typer med et helt andet udseende. Øverst th. og nederst tv. er vist eksempler på lange, trådagtige virus hvor arvematerialet er rullet op i en spiralsnoet proteinstruktur.. Også størrelsen varierer fra ca. 100 nanometer til adskillige mikrometer. Målestok: 100 nm. (M. Middelboe) 34 4/2006 VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE

4 viden der findes om virus rolle i havet kommer fra undersøgelser i vandsøjlen, og først for nyligt har opdagelserne af enorme mængder virus i bunden af havet flyttet fokus mod havbunden og dokumenteret at virus også her spiller en vigtig rolle. På Marinbiologisk Laboratorium, Københavns Universitet, har vi i de senere år undersøgt betydningen af virus for de mikrobielle processer i havbunden. Dette er gjort ved at undersøge fordelingen og aktiviteten af virus sammenholdt med bakteriernes aktivitetsmønstre. Undersøgelserne er foretaget på en skala der varierer fra mikrometer til kilometer. A B HVAD ER VIRUS? Virus er en helt enestående livsform der adskiller sig fundamentalt fra alle andre organismer ved ikke at have noget stofskifte. Virus er derfor biologisk, uvirksomme partikler der er afhængige af en værtscelles stofskifte for at kunne formere sig. Det kan derfor diskuteres hvorvidt virus skal betegnes som værende levende eller døde. Virus lever ikke op til de gængse definitioner af liv, men de har samtidig et umådeligt potentiale til at formere sig vha. energi og næring fra deres værtscelle. Det genetiske materiale i den dominerende type af virus i havvand består af DNA der er pakket ind i et proteinhoved (fig. 4). Denne struktur kan være forsynet med en hale med tråde (filamenter) der fungerer som fasthæftningsorgan. Når en virus møder en værtsbakterie, fastgøres den til specielle proteiner eller fedtholdige kulhydrater i værtscellens membran. Herefter indfører 4. A: virus der er ved at inficere en bakteriecelle. Virus er fastgjort til en receptor i membranen og injicerer sit DNA (den røde tråd) i cellen. B: elektronmikroskop-foto af tilsvarende situation i en havvandsprøve. (A: B. Rubæk, B: M. Middelboe) virus sit genetiske materiale i bakterien. En del virus gennemfører en såkaldt lytisk livscyklus hvor det indførte genetiske materiale umiddelbart efter kortslutter bakteriens egen regulering af stofskifteprocesserne. Derefter programmerer virus værtscellen til at producere nye virus inde i cellen (fig. 5). Efterfølgende nedbrydes værtscellens ydre membran, og de nye VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE 2006/4 35

5 5). Disse virus er lange, spiralsnoede former der afsnøres fra cellen uden at denne bliver slået ihjel under processen. VIRUS STIMULERER BAKTERIERNES PRODUKTION Induktion Lytisk cyklus Lysogen cyklus Kronisk cyklus 5. Oversigt over de mulige livscykler for marine virus. De runde symboler angiver værtscellen med sit genetiske materiale (gul streg). Virus sætter sig fast på cellens overflade og injicerer sit genetiske materiale (rød streg) i værten. I den lytiske cyklus mangedobles virus-dna umiddelbart efter infektion, og der dannes nye virus inde i cellen. Derefter sprænges cellen og virus frigives til omgivelserne. I den lysogene cyklus indbygges det virus-dna i værten og opformeres i forbindelse med at der foregår produktion af nye værtsceller. I en kronisk cyklus opformeres virus-dna, men de nye, trådformede virus dannes først i forbindelse med at det genetiske materiale forlader cellen. Værtscellen dør ikke ved frigivelsen af virus. (B. Rubæk) virus (fra ca. 10 til mere end virus pr. inficeret celle) frigives til omgivelserne hvor de kan inficere nye værtsceller (fig. 6). I visse tilfælde sker opformeringen af virus ikke umiddelbart efter at infektionen af værtscellen er foregået, men virus indgår i en slags dvale i værtscellen. DNA fra virus indbygges under dvalen i værtens genetiske materiale og bliver på den måde spredt til den inficerede celles datterceller når den deler sig. En ydre påvirkning, fx ændrede lys-, temperatur- eller næringsforhold, kan bevirke at virus i disse værtsceller aktiveres, og derefter starter den lytiske livscyklus. Endelig findes der også virus som indgår i en slags kronisk infektion af værtscellen (fig. Når virus inficerer og ødelægger bakterieceller, returneres celleindholdet til puljen af opløst organisk stof (fig. 7 & 8). Det sker for ca. en tredjedel af alle de bakterier der produceres i havet, mens en del af de resterende bakterieceller ender som føde for små, encellede protozoer. Det organiske stof der frigives når bakteriecellen efter at være inficeret af virus dør, kan herefter igen udnyttes af andre bakterier. Det betyder at virus, udover deres direkte dødelige effekt på bakterierne, også indirekte stimulerer stofomsætningen i havet ved at recirkulere en del af bakteriernes organiske stof. Det kan synes som et paradoks, men samtidigt med at virus slår en stor del af bakterierne ihjel, øger de også den samlede bakterielle aktivitet ved konstant at bidrage til gendannelsen af letomsætteligt, opløst, organisk materiale. Det betyder ikke at der sker en stigning i biomassen af bakterier i havet (cirklen i fig. 8), men at virusinfektioner får udvekslingen af stof mellem de forskellige puljer (pilene i fig. 8) til at forløbe hurtigere. Selv om en bakteries celleindhold kan synes som et ubetydeligt bidrag til havets organiske kulstofpulje, løber frigivelsen af de organiske stoffer fra de døde bakterier (lysater) på globalt plan op i megaton organisk kulstof pr. år. På den måde understøttes en betydelig del af den samlede bakterielle 36 4/2006 VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE

6 A B C 6. Bakterieceller i det sidste stadium af virusinfektion. A: bakterie under næringsberigede betingelser hvor hundredvis af virus er ved at frigives fra den netop sprængte celle (pile angiver enkelte virus). B: tværsnit af bakteriecelle hvori man kan se hele virus. C: bakteriecelle fra en havvandsprøve hvoraf den ene er sprængt efter virusinfektion. Målestok: 0,5 µm (A & C: M. Middelboe, B: L. Carlsson) produktion i havet. Bakterierne i havet lever altså i høj grad af hinanden, med virus som en slags katalysator for omdannelsen af det bundne organiske stof til det letomsættelige, opløste stoffer. Hver gang de frigivne organiske stoffer (lysaterne) optages af andre bakterier, bruges en del til respiration. Derved frigives kulstof som CO2 mens en del af de øvrige næringsstoffer (fx kvælstof og fosfor) frigives som uorganiske salte. På den måde stimulerer virus ikke bare den mikrobielle CO2- produktion, men også frigivelsen af uorganiske næringssalte. Disse kan igen stimulere havets algevækst, og helt overordnet set øger aktiviteten af virus derfor havets samlede produktivitet. Virus er altså utvivlsomt vigtige medspillere i reguleringen af det globale kulstofkredsløb, og undersøgelser af virus i havet spiller dermed også en vigtig rolle for analysen af svingninger i atmosfærens indhold af CO2. Endnu findes der dog langtfra en detaljeret viden om den kvantitative betydning af virus for omsætningen af kulstof og næringssalte under forskellige forhold i havet specielt er havbundens virus kun meget sparsomt undersøgt. Man ved at viruspartiklerne fungerer på mikroskala, og at inter- VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE 2006/4 37

7 A C E B D F le forhold, herunder sammensætningen og aktiviteten af virus og bakteriesamfundet, udvikling af resistens, spredningsmuligheder for virus og tilgængelighed af næring. Dette er alle faktorer der ikke blot varierer over lang tid og over store afstande (kilometer), men også på meget små afstande (tusindedele af en millimeter). Kigger man godt efter, finder man en meget ujævn fordeling af virus i havbunden der er tæt koblet til bakteriernes antal og aktivitet. Prøvetagninger i havbunden på m i Sagami Bay, Japan, viste en ekstrem variation i antallet af virus inden for et meget lille område. Til trods for at denne dybhavslokalitet på overfladen lignede en ensartet mudderflade, varierede virustætheden med en faktor 10 i en række prøver taget inden for en enkelt kvadratmeter, fra 0,2 til 2,0 mia. virus pr. cm 3 havbund. Det viste sig faktisk at to prøver taget med to centimeters afstand var lige så forskellige som to prøver taget med 100 m afstand. Alt i alt bekræfter undersøgelserne at virus antal og aktivitet ligesom det er tilfældet med bakterierne, først og fremmest reguleres på mikroskala. 7. Den gradvise destruktion af bakterieceller som følge af virus-infektion. A: sunde, ikke-inficerede celler. B: inficerede celler som begynder at svulme op. C, D: begyndende ødelæggelse af de inficerede celler. E: cellerne er sprængte, virus og cellens indhold af organisk materiale er frigivet til omgivelserne. F: cellerne er helt omdannet til organisk materiale. Hele forløbet tager fra få timer til få dage. Cellerne er farvet med en teknik der farver fedtholdige kulhydrater i cellevæggen røde. Målestok: 1µm. (M. Middelboe) aktionerne mellem virus og deres værtsceller afhænger af en række loka NYE VIRUS I HVER CM 3 HVER TIME Målinger af virusproduktionen i havbunden har vist at virus, udover at være meget talrige, også formeres med stor fart. Selv på en dybhavslokalitet som den i Sagami Bay, produceres der hver time døgnet rundt omkring 1 mio. nye virus i hver kubikcentimeter havbund (fig. 9), og i mere kystnære sedimenter som Øresund er produktionen endnu større (6-8 mio. virus pr. 38 4/2006 VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE

8 Virus Opløst organisk materiale Bakterier cm 3 pr. time). Det betyder at havbundens samlede virussamfund i gennemsnit udskiftes omtrent hver anden dag. Da der går én bakterie til for ca. hver tyve producerede virus, har virus stor betydning som kontrollører af de bakterielle samfunds størrelse og produktion, og ca % af de bakterier der dagligt produceres i havbunden, ender deres liv som følge af virusinfektion. Produktion af virus i havbunden vekselvirker med bakteriernes aktivitet. Jo større bakterieaktivitet desto hurtigere bliver virus dannet og spredt i sedimentet. Stimulering af havbundens omsætning medfører altså en stigning i virusproduktionen, og hermed øges virusantallet i havbunden (fig. 9). Hvis bakterierne sulter og aktiviteten når ned under et kritisk niveau, stopper produktionen af virus, men virussens DNA forbliver inde i bakteriecellen, klar til at overtage kommandoen når bakterierne igen har energi nok til rådighed til at sikre den næste generation af virus. Tilsættes organisk stof til en sedimentoverflade, sker der umiddelbart (inden for få timer) en stimulering af virusproduktionen og en efterfølgende forøgelse af antallet virus i havbunden. Men også over længere tidshorisonter sker der systematiske ændringer i havbundens virustæthed der er tæt forbundet med processer i vandsøjlen. I forbindelse med den store nedsynkning af planktonalger der følger efter algernes forårsopblomstring i den øverste del af vandsøjlen, øges den mikrobielle aktivitet på havbunden. Herved stimuleres virusproduktionen, og der akkumulerer virus over længere perioder. Undersøgelser i Øresund har for nyligt vist at der efter denne nedsynkning har fundet sted, sker en 4-5 dobling af virusantallet i de øverste 5 cm af havbunden. Virus responderer altså tydeligt på ændringer i bakteriernes vækstbetingelser. Men hvor bliver alle de mange nye virus af? Selv om virusantallet kan variere, er tætheden over en længere tidshorisont (år) i ligevægt. På årsbasis nedbrydes der således lige så mange virus som der produceres. Der vides ikke ret meget om skæbnen af disse virus. Nogle bestemte virus, der har angrebet alger og derefter er sunket ned på havbunden sammen med deres hendøende værtsceller, har vist sig at kunne opretholde deres infektionsevne under årtiers nedgravning i havbunden hvor de ligger og er klar til at geninficere deres algevært. De fleste virus nedbrydes dog sandsynligvis af bakterier og protozoer. En mulighed er at nogle bakterier har falske receptorer Protozoer 8. Bakterier lever af opløst organisk materiale som de enten optager direkte eller efter forudgående nedbrydning af organiske partikler. En del af bakterierne ædes af små, encellede dyr (protozoer). Når virus dræber bakterier, føres disses celleindhold tilbage til puljen af opløste stoffer hvor de udgør letomsættelige forbindelser der kan udnyttes af andre bakterier. Denne kortslutning kaldes den virale løkke. som kan lokke ufarlige virus til. De fasthæftede virus nedbrydes herefter af bakteriens enzymer. På den måde kan bakterier muligvis udnytte virus som føde. Også frie enzymer i miljøet og UV-lys kan bidrage til fjernelsen af virus i havet. ULØSTE GÅDER Den nyeste forskning viser at havets virus, på trods af at de agerer på de mindste skalaer for biologiske processer, har stor betydning for strukturen og omsætningen i mikrobielle samfund og dermed for hele det marine økosystem. Denne erkendelse har haft stor indflydelse på den grundlæggende opfattelse af det marine fødenets struktur og funktion, og har i de senere år resulteret i en støt stigende videnskabelig interesse for disse havets mindste VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE 2006/4 39

9 Virusproduktion i antal virus pr. cm 3 pr. time 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,5 1,5 1,0 mio Bakteriernes respiration i µmol CO 2 pr. L pr. time 9. Sammenhængen mellem bakteriernes respiration (her målt som dannelse af CO 2 ) og produktionen af virus i havbunden i m. dybde i Sagami Bay, Japan. Ved stigende bakterieaktivitet (fx i forbindelse med tilførsel af organisk materiale til havbunden) øges produktionen af virus. Generelt dannes der på denne lokalitet mere en 1 mio. nye virus pr cm 3 pr. time svarende til at hele virussamfundet fornyes ca. hver dag. biologiske strukturer. Selv om man nu står med en relativt god forståelse af virus generelle rolle i havet, er viden om detaljerne i virus gøren og laden stærkt begrænsede. Hver gang nye lokaliteter undersøges eller nye virus findes og analyseres, åbenbares nye og ofte uventede sammenhænge der understreger hvor lidt der i grunden vides om disse simple livsformer. Senest har vi på Marinbiologisk Laboratorium isoleret en specifik virus og dens værtscelle fra en sedimentprøve udtaget 10 m nede i havbunden og fundet DNA-holdige virus helt ned til 100 m dybde i havbunden midt ude i Atlanterhavet. Havbunden i denne dybde har været isoleret fra omverdenen i titusinder af år. Den er kompakt og hård, og der foregår ingen omfordeling af stof eller celler. Ikke desto mindre formerer disse virus sig lystigt når de i et reagensglas i laboratoriet sættes sammen med deres vært, og vi står tilbage med en række ubesvarede spørgsmål: Hvordan bliver virus og bakterier transporteret rundt i havbunden? Eller bliver de overhovedet spredt? Hvordan er de nået frem til de steder vi finder dem? Kan de opretholde infektionsevnen i århundreder uden værtsceller? Eller er der en konstant men lav virusproduktion? Det er faktisk lidt af en gåde hvordan virus fungerer i en relativ kompakt havbund hvor transport af bakterier og virus er begrænset. Nøglen til løsningen ligger i at kunne observere bestemte virus og bakterier direkte i havbunden. Her vil nye 2D-teknikker i kombination med molekylære og immunologiske teknikker til identifikation af bestemte virus og bakterier muliggøre at produktion og spredning af virus og bakterier kan følges i tid og rum. I havbunden vil andre virustyper, med andre livsformer og spredningsmekanismer end dem der i dag kendes fra vandsøjlen, være fremherskende. Her vil de nuværende teorier om virus-vært-forhold sandsynligvis komme til kort. Disse nye og spændende forskningsfelter vil være i fokus i de kommende år, og vil bl.a. indgå som en del af havbundsundersøgelserne under den kommende Galathea 3 ekspedition. 40 4/2006 VIRUS - HAVBUNDENS MINDSTE BEBOERE