Zom­bie­zel­len im Oze­an: Vi­ren hal­ten die häu­figs­ten Mee­res­bak­te­ri­en in Schach

Das Meer rund um die In­sel Hel­go­land ist ein idea­ler Ort, um die Früh­lings­blü­ten von Al­gen im Oze­an zu er­for­schen. Schon seit vie­len Jah­ren wid­men sich For­schen­de des Max-Planck-In­sti­tuts für Ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie in Bre­men die­sem The­ma. Dabei bemerkten sie, dass sich eine Gruppe von Bakterien namens SAR11 während dieser Blüten besonders schnell vermehrt.Trotz­dem nahm ihre Zell­zahl ab, um etwa 90% in­ner­halb von fünf Ta­gen. Ver­mut­lich wur­den die Zel­len von Fress­fein­den oder durch In­fek­tio­nen mit Vi­ren de­zi­miert. Nun ha­ben die Max-Planck-For­schen­den die­ses Phä­no­men noch­mal ganz ge­nau un­ter die Lupe ge­nom­men.

Auf der Su­che nach den Vi­ren von SAR11

“Wir woll­ten her­aus­fin­den, ob die ge­rin­gen Zell­zah­len von SAR11 durch Pha­gen ver­ur­sacht wur­den – das sind Vi­ren, die ge­zielt Bak­te­ri­en in­fi­zie­ren”, sagt Jan Brüwer, der die Stu­die im Rah­men sei­ner Dok­tor­ar­beit durch­ge­führt hat. „Die Be­ant­wor­tung die­ser schein­bar ein­fa­chen Fra­ge war me­tho­disch sehr an­spruchs­voll“.

Wie funk­tio­niert eine In­fek­ti­on mit Pha­gen? Pha­gen in­fi­zie­ren Bak­te­ri­en, in­dem sie ih­nen ihr ei­ge­nes Gen­ma­te­ri­al ein­schleu­sen. Dort wird es ver­viel­fäl­tigt und nutzt die bak­te­ri­el­len Ri­bo­so­me, um die selbst be­nö­tig­ten Pro­te­ine her­zu­stel­len. Die Bre­mer For­schen­den nut­zen eine Tech­no­lo­gie, mit der sie das Gen­ma­te­ri­al der Pha­gen in den Bak­te­ri­en „ver­fol­gen“ konn­ten. “Wir kön­nen die Pha­gen­ge­ne an­fär­ben und sie dann un­ter dem Mi­kro­skop se­hen. Da wir gleich­zei­tig auch die Gene von SAR11 fär­ben kön­nen, kön­nen wir pha­gen­in­fi­zier­te Zel­len er­ken­nen“, er­klärt Brüwer.

Das klingt ein­fach, ist es aber nicht. Denn die ge­rin­ge Hel­lig­keit und Grö­ße der Pha­gen­ge­ne macht es für die For­schen­den sehr schwer, sie zu ent­de­cken. Den­noch konn­ten sie Tau­sen­de von Bil­dern aus dem Mi­kro­skop er­folg­reich ana­ly­sie­ren, und ka­men so zu ei­ni­gen span­nen­den Er­kennt­nis­sen.

“Wir sa­hen, dass die SAR11 Bak­te­ri­en ei­nem mas­si­ven An­griff durch Pha­gen aus­ge­setzt sind”, be­rich­tet Brüwer. “In Pha­sen schenl­len Wachs­tums, wie bei­spiels­wei­se wäh­rend Früh­jahrs­blü­ten, sind bei­na­he 20% der Zel­len in­fi­ziert. Das er­klärt, war­um wir so we­ni­ge Zel­len fin­den. Pha­gen sind also das feh­len­de Glied, das die­ses Rät­sel auf­klärt!”

Zom­bie-Zel­len: Ein glo­ba­les Phä­no­men

Die Bil­der ent­hüll­ten zur Über­ra­schung der For­schen­den aber noch mehr. „Wir ent­deck­ten, dass ei­ni­ge der pha­gen­in­fi­zier­ten SAR11-Zel­len kei­ne Ri­bo­so­men mehr ent­hiel­ten. Die­se Zel­len be­fin­den sich wahr­schein­lich in ei­nem Über­g­angs­zu­stand zwi­schen Le­ben und Tod, wes­halb wir sie 'Zom­bie-Zel­len' ge­nannt ha­ben“, so Brüwer.

Zom­bie-Zel­len sind ein bis­her un­be­kann­tes Phä­no­men, das die For­schen­den nicht nur in La­bor­kul­tu­ren von SAR11 son­dern auch in Pro­ben, die vor Hel­go­land ge­sam­melt wor­den wa­ren, fan­den. Zu­dem ana­ly­sier­ten sie auch Pro­ben aus dem At­lan­tik, dem Süd­po­lar­meer und dem Pa­zi­fik, und auch dort fan­den sie Zom­bie-Zel­len. Die­se Zom­bies scheint es also welt­weit zu ge­ben.

“In un­se­rer Stu­die sind bis zu 10% al­ler Zel­len im Meer Zom­bie-Zel­len. Die welt­wei­te Ver­brei­tung der Zom­bies er­wei­tert un­ser Ver­ständ­nis des vi­ra­len In­fek­ti­ons­zy­klus“, be­tont Brüwer. „Wir ver­mu­ten, dass in Zom­bie-Zel­len die in den Ri­bo­so­men ent­hal­te­nen Nu­kle­in­säu­ren ab­ge­baut und wie­der­ver­wer­tet wer­den, um neue Pha­gen-DNA her­zu­stel­len.“

Brüwer und sei­ne Kol­le­gin­nen und Kol­le­gen ver­mu­ten, dass nicht nur SAR11-Bak­te­ri­en, son­dern auch an­de­re Bak­te­ri­en in Zom­bies ver­wan­delt wer­den kön­nen. Da­her wol­len sie die Ver­tei­lung von Zom­bie-Zel­len und ihre Rol­le für die Vi­ren nun wei­ter un­ter­su­chen.

„Un­se­re Er­geb­nis­se be­wei­sen, dass die SAR11-Po­pu­la­ti­on, ob­wohl sie so schnell wächst, mas­siv von Pha­gen kon­trol­liert und re­gu­liert wird“, sagt Brüwer. „SAR11 ist sehr wich­tig für die glo­ba­len bio­geo­che­mi­schen Kreis­läu­fe, ein­schließ­lich des Koh­len­stoff­kreis­laufs, da­her muss ihre Rol­le im Oze­an neu de­fi­niert wer­den. Un­se­re Ar­beit un­ter­streicht die Rol­le der Pha­gen und die Be­deu­tung der mi­kro­bi­el­len In­ter­ak­tio­nen im Le­bens­raum Meer“.

Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Ori­gi­nal­ver­öf­fent­li­chung:

Brüwer, J.D., Sid­hu, C., Zhao, Y. Eich, A., Röss­ler, L., Orel­la­na, L.H., Fuchs, B.M (2024). Glo­bal­ly oc­cur­ring pel­agi­pha­ge in­fec­tions crea­te ri­bo­so­me-de­pri­ved cells, Nat Com­mun (02 May 2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48172-w