Científicos del Weizmann desarrollaron un método innovador para rastrear patógenos que afectan organismos unicelulares vitales para la producción de oxígeno. Su presencia en el océano podría alterar el equilibrio ecológico
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Se decía que provenían del espacio exterior e incluso se decía que eran bacterias y que socavaban la propia definición de virus. Los virus gigantes, apodados “giruses”, contienen enormes cantidades de material genético —hasta 100 veces más que otros virus— y algunos son más grandes que ciertas bacterias. Eran prácticamente desconocidos para la ciencia hasta principios del siglo XXI, pero los descubrimientos realizados en las últimas dos décadas sugieren que pueden tener un gran impacto en la vida en la Tierra.
Los virus gigantes que habitan los océanos infectan, entre otras, a diversas especies de algas unicelulares, organismos fotosintéticos responsables de aproximadamente la mitad de la producción de oxígeno de la Tierra y de alrededor de la mitad de la fijación global de carbono. La infección viral puede provocar un colapso rápido de las floraciones de algas (acumulaciones de algas que se extienden a lo largo de decenas de miles de kilómetros en el océano), lo que, a su vez, puede afectar sustancialmente a extensos ecosistemas marinos, atmosféricos y terrestres. Sin embargo, todavía sabemos muy poco sobre los huéspedes naturales de los virus gigantes, es decir, qué especies de algas están infectadas por cada tipo de virus.
En un nuevo estudio, los investigadores del laboratorio del profesor Assaf Vardi en el Departamento de Ciencias Vegetales y Ambientales del Instituto de Ciencias Weizmann utilizaron la secuenciación de ARN unicelular para analizar muestras recogidas de una floración de algas en los fiordos de Noruega. Esto les permitió trazar, con un detalle sin precedentes, las relaciones entre los virus gigantes y los organismos marinos unicelulares, incluidas las algas, que cada uno de ellos infecta.
Hasta hace poco, la forma más eficaz de analizar las poblaciones de virus y algas en el océano era examinarlas en bloque, es decir, analizar todo el material genético aislado de muestras de agua oceánica que estaban repletas de virus y organismos marinos unicelulares. “Estos estudios hicieron avanzar nuestro conocimiento sobre la distribución de algas y virus en el agua, pero todavía faltaba mucha información”, explica Vardi. “Fuimos capaces de saber qué especies abundaban en una muestra concreta, pero no de identificar infecciones activas, por lo que nuestra capacidad para medir el impacto de los virus en la proliferación o el colapso de las algas estaba limitada. Del mismo modo, no pudimos identificar poblaciones que fueran menos frecuentes en la muestra, determinar el huésped natural de cada virus o saber si los virus estaban activos en las células”.
Para superar estas limitaciones y examinar las interacciones que existen en el entorno natural, los investigadores viajaron a los fiordos noruegos, donde indujeron una floración de algas añadiendo nutrientes al agua e imitando las condiciones que dan lugar a las floraciones. De vuelta en el laboratorio, secuenciaron el ARN de células individuales en sus muestras. Estas moléculas de ARN indican qué genes están activos en los organismos muestreados en un momento dado. A diferencia de la secuenciación de ARN normal, en la que se junta todo el ARN de todos los organismos de la muestra, los investigadores utilizaron la secuenciación de ARN de una sola célula. Este método avanzado de alta resolución les permite etiquetar células individuales e identificar qué ARN aparece de forma única en esa célula en particular.
Con este método, los investigadores pudieron identificar los genes activos en las células y, comparándolos con bases de datos existentes, determinar a qué especie pertenecía cada célula de la muestra. Sin embargo, no se conformaron con mapear los hospedadores, sino que también querían determinar qué virus infectan cada célula en el entorno natural. Amir Fromm, estudiante de doctorado del laboratorio del profesor Vardi que dirigió el estudio, explica: “Nos dimos cuenta de que mediante un análisis meticuloso del ARN, podríamos producir dos tipos de datos: no solo identificar la especie de alga, sino también determinar si las algas habían sido infectadas por un virus gigante y, en caso afirmativo, cuál de ellos”.
Antes de este estudio, no existía ninguna base de datos que clasificara los virus gigantes que infectan a las algas, por lo que los investigadores se acercaron al profesor Frank Aylward, experto en la evolución de los virus en Virginia Tech, quien, con su propio equipo, creó una base de datos única de virus gigantes, basada en el ARN extraído de las células.
De las decenas de miles de células que se examinaron, muchas pertenecían al alga dominante en esa floración, Emiliania huxleyi. En un estudio anterior, Vardi y su equipo ya habían identificado el virus gigante específico que infecta a esta alga. Esta vez, se centraron en otras parejas virus-huésped, presentes en cantidades minúsculas en las muestras. En total, encontraron 972 células infectadas, de las cuales 71 no pertenecían al alga dominante en la floración y que incluían varias combinaciones virus-huésped gigantes que hasta ahora eran desconocidas.
Por ejemplo, descubrieron que el virus Imitervirales-07 infecta células de algas de la familia Katablepharidaceae, una conexión que no se había descrito anteriormente. Cuando examinaron el ARN del virus en estas células, descubrieron que produce proteínas que tienen un impacto directo en el destino de las células, incluidas proteínas capaces de provocar el suicidio de las células (muerte celular programada) durante la fase tardía de la infección. Los investigadores incluso encontraron una prueba irrefutable: demostraron una relación entre la aparición del virus en las muestras examinadas y el colapso de la población de algas hospedadoras poco después.
Los investigadores han logrado superar con éxito el reto computacional de caracterizar las células infectadas en muestras de cantidades minúsculas de ARN, por lo que creen que su método también puede utilizarse para identificar interacciones de algas con virus y otros patógenos en otras partes del mundo, incluidos entornos climáticos extremos como los polos y los lagos alpinos. “Debido a procesos relacionados con el cambio climático, patógenos antiguos se están liberando de los casquetes polares que se están derritiendo. Este nuevo método nos permitirá identificar estos patógenos con mucha más facilidad y ayudará a la humanidad a prepararse para la amenaza ambiental que pueden representar”, afirma Vardi.
Este estudio fue parte de una investigación colaborativa que incluyó al Dr. Gur Hevroni, la Dra. Flora Vincent y la Dra. Daniella Schatz del laboratorio de Vardi en el Instituto Weizmann; y la Dra. Carolina Martínez-Gutiérrez del laboratorio de Aylward en Virginia Tech.
Este trabajo fue financiado con una subvención de la Fundación Simons. La investigación del profesor Assaf Vardi cuenta con el apoyo del Centro de Botton para la Ciencia Marina y de Scott Eric Jordan. El profesor Vardi es titular de la Cátedra de Ciencias Vegetales de la Cátedra Bronfman.
La cátedra de investigación Beck apoya a un científico del personal del laboratorio del profesor Vardi.