Mikroalge bekjemper virus med “Sex on the beach”

03/11/2016

Virus er noe vi mennesker gjerne forbinder med influensasesong og andre kjipe ting. Men virus spiller en langt viktigere rolle for livet på jorda enn bare å lage overskrifter i Dagbladet – våpenkappløp mellom virus og vert har trolig påvirket utviklingen av de fleste arter som har eksistert. Vi flercellede organismer har et komplisert immunforsvar beregnet på virusbekjempelse. Men hvordan kan en éncellet mikroalge beskytte seg mot virus? Og er det noen vits i å beholde forsvarsmekanismen hvis det er lite sannsynlig å bli angrepet?

Svar på disse spørsmålene kan man finne ved å studere kjærlighetslivet til en slik mikroalge – kokkolittoforen Emiliania huxleyi.

 

Elektronmikroskopi-bilde: Kilde: Wikimedia Commons/Alison R. Taylor (University of North Carolina Wilmington Microscopy Facility) - PLoS Biology

Dette elektronmikroskopi-bildet av Emiliania huxleyi viser tydelig kokkolittene, de vakre kalk-skjellene som omslutter cellen. Kilde: Wikimedia Commons/PLoS Biology June 2011

 

Emiliania huxleyi er berømt for sine vakre kokkolitter – skjell av kalk som omslutter cellen. Den er ikke mer enn 1/200 millimeter stor, men til gjengjeld er den en av de organismene i verden som forekommer i høyest antall. En oppblomstring av Emiliania kan strekke seg over hundrevis av kvadratkilometer, og når cellene dør vil kalkskallene løsne og bryte lyset slik at havet ser ut som skummet melk. Dette kan man til og med se på bilder fra satellitt. Kalkskall fra døde celler synker ned på havbunnen og sedimenteres, og har over tid dannet mektige formasjoner som for eksempel de hvite klippene ved Dover.

Studier av Emiliania har gitt forskere verdifull innsikt i mikroalgers livssykluser, og hvordan disse påvirkes av enda mindre, men desto mer tallrike marine organismer, nemlig virus. Emiliania huxleyi har en såkalt haplo-diploid livssyklus, som vil si at den kan finnes som celler med både enkelt (haploid) og dobbelt (diploid) kromosomtall. Vanligvis formerer Emiliania seg ved vegetativ celledeling, der en diploid celle kloner seg selv til nye diploide celler. Men – under spesielle forhold forekommer reduksjonsdeling, der en diploid celle deler seg i to haploide. Når deretter to slike celler, med enkelt kromosomtall, smelter sammen og igjen danner en diploid celle, kalles det syngami – altså befruktning. Fascinerende nok er det stor forskjell på haploide og diploide Emiliania-celler; det er bare de diploide som har skjell av kalk, de haploide er dekket av tynne organiske skjell uten kalk-dannelse. De diploide har ikke flageller og kan ikke svømme, mens de haploide har to flageller.

 

Satellitt. Kilde: Wikimedia Commons

En oppblomstring av Emiliania huxleyi kan strekke seg over hundrevis av kvadratkilometer og være synlig fra satellitt. Dette bildet ble tatt ved Plymouth i Storbritannia i 1999. Kilde: Wikimedia Commons

 

Emiliania  i Eventyrland – virus vs. ”the Cheshire cat”

Forsøk med Emiliania-celler i kultur har vist at å være haploid eller diploid er avgjørende for om en celle kan bli infisert av virus eller ikke. Celler med kalkskall (diploide) kan bli infisert av virus, mens haploide celler er motstandsdyktige mot virusinfeksjon. Dette fenomenet har gitt opphav til ”Cheshire Cat”-hypotesen. Navnet er inspirert av Red Queen-hypotesen, som beskriver et evolusjonært våpenkappløp mellom to organismer, for eksempel en sykdomsfremkallende organisme (et ”patogen”) og dens vert. Patogenet vil hele tiden prøve å finne nye måter å angripe sin vert på, mens verten vil utvikle nye motstandsmekanismer. Som den røde dronningen sier til Alice i ”Through the looking glass”: ”It takes all the running you can do to stay in the same place”.

Men til forskjell fra en vert som ligger i et konstant våpenkappløp med et patogen, har Emiliania huxleyi valgt en annen strategi. Når ”Queen of Hearts” (som forvirrende nok er en annen dronning enn den røde) roper ”Off with it’s head!” gjør Cheshire-katten seg usynlig. Emiliania gjør omtrent det samme i møte med virus. I det viruset går til angrep gjennomgår Emiliania-populasjonen et ”forsvinningsnummer” – den går over til det haploide stadiet og blir usynlig for viruset. Det vil si; en enkelt diploid Emiliania-celle forsvinner ikke, den blir infisert med virus og dør, men når en populasjon diploide Emiliania-celler angripes, vil det etter noen dager vokse fram en populasjon haploide Emiliania-celler som virusene ikke er i stand til å infisere. Forskerne bak studien mener denne mekanismen er prinsipielt forskjelling fra ”Red Queen”-dynamikken, fordi forsvinningsnummeret frigjør Emiliania fra påvirkning av viruset, helt til de haploide cellene kombineres til diploide igjen. Og dermed bremses farten på våpenkappløpet.

 

Kilde: Wikimedia Commons.

Cheshire-katten i Alice i eventyrland kan gjøre seg usynlig. På lignende måte gjennomgår Emiliania-populasjoner et ”forsvinningsnummer” når virus angriper. Kilde: Wikimedia Commons.

 

Svar i genene

Gitt at denne overgangen fra diploid til haploid stadium er Emilianias viktigste forsvarsmekanisme mot virusinfeksjon, kan man stille spørsmålet; hvis man fjernet virusene, ville Emiliania fortsatt ta seg bryet med seksuell reproduksjon?

Emiliania er svært tilpasningsdyktig, og kan vokse under mange ulike miljøforhold, i alt fra næringsfattige åpne havområder, til næringsrike kyststrøk. Ved å isolere enkeltceller fra ulike miljøer, har forskere funnet stor variasjon i fysiologiske tilpasninger hos Emiliania. De siste ti årene har enorme teknologiske framskritt gjort det mulig å sekvensere hele genomet til en organisme på relativt kort tid. Og ved å sammenligne genomene til Emiliania-stammer isolert fra ulike miljøer kan man undersøke om det finnes en genetisk basis for de ulike tilpasningene.

 

Dette transmisjons- elektronmikroskopi-bildet viser et tverrsnitt av en Emiliania-celle infisert av virus. Viruspartiklene sees som svarte prikker.

Dette transmisjons- elektronmikroskopi-bildet viser et tverrsnitt av en Emiliania-celle infisert av virus. Viruspartiklene sees som svarte prikker. Kilde: Castberg et al. (2002), med tillatelse fra forfatterene.

 

Flagell-løs tilværelse uten virus

Et fransk-tysk forskerteam benyttet denne teknologien til å undersøke hypotesen om at livssyklusen til Emiliania var tilpasset ulike miljøforhold. Ved å sekvensere hele eller deler av genomene til Emiliania-stammer isolert fra ulike havområder gjorde de en bemerkelsesverdig oppdagelse: Genomene til Emiliania-kloner isolert fra næringsfattige åpne havområder hadde mistet, eller hadde ødeleggende mutasjoner i gener involvert i dannelsen av flageller, mens «flagell-genene» var fullt funksjonelle i Emiliania-kloner isolert fra næringsrike kyststrøk. Flageller er ofte direkte involvert i seksuell reproduksjon hos mikroalger – man kan jo tenke seg hvor vanskelig det er å smelte sammen med en partner hvis verken en selv eller partneren har mulighet til å bevege seg! Det er med andre ord svært usannsynlig at Emiliania-stammer med defekte flagell-gener er i stand til å ha sex. Endringene i disse genene mener forskerne har skjedd hos flere Emiliania-stammer uavhengig av hverandre. Kan genom-forskjellene mellom Emiliania fra næringsrike kyststrøk og åpne havområder forklares ut fra ulik påvirkning fra virus?

 

Kilde: Wikimedia Commons/Cavernia.

Emiliania er mer utsatt for virusinfeksjon i næringsrike kyststrøk der tettheten av alge-celler er høy. Det øker den evolusjonære fordelen av seksuell reproduksjon. Kilde: Wikimedia Commons/Cavernia.

 

Romantikk i strandkanten

I næringsfattige havområder er det krevende å vokse, og det er større avstand mellom hver algecelle. Virus er avhengige av tilgang til vertsceller for å formere seg. Derfor er sjansen for virusinfeksjon, og dermed også den evolusjonære påvirkningen fra virus, mye mindre hos spredte algepopulasjoner, – som for eksempel i næringsfattige, åpne havområder. Dersom seksuell reproduksjon ikke er nødvendig i fravær av virus, og flagellene kanskje blir overflødige, kan det forklare hvorfor naturlig seleksjon ikke har fjernet ødeleggende mutasjoner i flagell-genene i disse populasjonene. Men selv om virus gir Emiliania gode grunner til å foretrekke ”Sex on the beach” i næringsrike kyststrøk er det fortsatt et åpent spørsmål om hva slags, om noen, fordel Emiliania har av å være aseksuell i næringsfattige havområder. Som forskerne bak studien påpeker, vil det kreve omfattende studier av vekst og overlevelse under ulike forhold for å besvare dette spørsmålet.

Kilder:

Frada M, Probert I, Allen MJ, Wilson WH, de Vargas C (2008): The Cheschire Cat escape strategy of the coccolithophore Emiliania huxleyi in response to viral infection. PNAS 105:15944–15949

von Dassow P, John U, Ogata H, Probert I, Bendif EM, et al. (2015): Life-cycle modification in open oceans accounts for genome variability in a cosmopolitan phytoplankton. The ISME Journal 9:1365-1377

Castberg T, Thyrhaug R, Larsen A, Sandaa R-A, Heldal M, Van Etten JL, Bratbak G (2002): Isolation and characterization of a virus that infects Emiliania huxleyi (Haptophyta). Journal of Phycology 38:767-774

Station Biologique Roscoff: http://www.sb-roscoff.fr/fr/2015/04/16/sex-beach-not-open-ocean

 

Dette innlegget er skrevet av gjesteblogger Elianne Dunthorn Egge. Elianne er postdoktor ved Universitetet i Oslo, og forsker på hvordan sammensetningen av mikroalge-arter i Arktis varierer med årstidene.


Denne posten ble skrevet av: Kristina Kvile


Synes du vi gjør en god jobb? Du kan støtte arbeidet:

50kr 200kr