Zombiezellen im Ozean: Viren halten die häufigsten Meeresbakterien in Schach

Mikroorganismen steuern die für das Leben in den Ozeanen wichtigen Stoff-
und Energiekreisläufe. Dazu gehört auch eine Gruppe von Bakterien namens
SAR11, die etwa ein Drittel aller Bakterien im Oberflächenwasser der Meere
stellen. Eine Studie von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Marine
Mikrobiologie in Bremen zeigt nun, dass zeitweise fast 20% der
SAR11-Zellen von Viren befallen sind, was ihre Gesamtzahl deutlich
verringert. Die Viren verwandeln die eigentlich gut gedeihenden Bakterien
manchmal sogar in Zombies. Diese Zombiezellen wurden hier erstmals
beobachtet und sind in den Ozeanen weit verbreitet.

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“.