In de zeeën en oceanen hebben virussen het voor een belangrijk deel gemunt op de primaire producenten: de eencellige planktonsoorten. Eerder dan bijvoorbeeld hogere planten sterven die door een virusinfectie. Daardoor zorgen virussen voor een snellere kringloop van nutriënten uit stervende algen. Door de continue dreiging van virusinfecties is er ook steeds een reden voor onderwaterorganismen om zich aan te passen. Daarmee zijn virussen ook motoren achter de evolutie.
Veel virussen
Zoals zoveel over de oceanen op aarde nog onbekend is, weten we ook over virussen in de zee nog maar het topje van de ijsberg. De mariene virussen zijn in ieder geval met velen: per glas zeewater zo’n 150 tot 3.000 miljoen ‘individuen’. Ondanks dat ze heel klein zijn – gemiddeld 50 nanometer, oftewel 50 miljoenste millimeter – bevatten alle virussen in de oceanen tezamen meer organische koolstof dan 75 miljoen blauwe vinvissen.
Net als op land, zijn virussen in zee parasieten: ze hebben een gastheer nodig om zich te vermenigvuldigen. Virussen zijn immers niets meer dan stukjes genetisch materiaal (DNA of RNA) die bij elkaar worden gehouden door een omhulsel van eiwit en soms nog een extra membraan (envelop). Ze zijn in zee met zo velen omdat hun gastheren niet alleen zeehonden of vissen zijn, maar ook de eencellige micro-organismen, zoals algen of cyanobacteriën. Deze microben staan aan de basis van de voedselketen, spelen een essentiële rol in de kringlopen van elementen als koolstof, stikstof en fosfaat, en vormen tezamen meer dan 97% van de biomassa in de oceanen.
Elke seconde vinden er in zee ongeveer 100.000.000.000.000.000.000.000 (1023) virusinfecties plaats. Omdat de gastheren in de meeste gevallen maar één cel groot zijn, is ziekte een relatief begrip. De gastheer sterft meestal binnen een uur tot hooguit een paar dagen.
Uit de cel gebarsten
Virussen kennen verschillende levenscycli. De lytische en de lysogene cyclus zijn de bekendste. De lytische virussen infecteren hun gastheer, brengen daarbij hun genetisch materiaal in de gastheercel, die daarop wordt aangezet tot vermeerdering van de virussen. Op een gegeven moment barsten die letterlijk uit de gastheer: de zogenoemde lysis. Als ze daarbij vrijkomen in het omringende water kunnen ze weer andere gastheercellen infecteren.
De lysogene virussen bouwen hun eigen genetisch materiaal in het DNA van de gastheer en delen vervolgens in hetzelfde tempo als de gastheer. Pas na een specifieke impuls worden de ‘provirussen’ in de gastheer aangezet om een lytische cyclus te starten.
Het DNA van de oceaan
In 2004 presenteerde de Amerikaanse bioloog en biotechnologie-pionier Craig Venter een radicaal nieuwe benadering in het DNA-onderzoek. Tot dan toe had de genoombiologie zich geconcentreerd op het uitlezen van het genoom van één dier-, plant-, of bacteriesoort. Nu stortte Venter zich met zijn team op het genoom van het milieu. Hij voer met zijn zeiljacht Sorcerer II naar de Sargassozee en nam monsters van een paar honderd liter zeewater, waaruit hij DNA isoleerde dat lukraak in talloze kleine stukjes uitgelezen werd. De benadering werd snel bekend als metagenomica: het bekijken van het DNA van een hele levensgemeenschap tegelijkertijd, zonder je druk te maken over de vraag uit welke organismen dat DNA afkomstig is. De benadering van de metagenomica kreeg in 2009 een nieuwe impuls met de introductie van de nieuwste biotechnologische methodes en DNA-machines die met zo’n onvoorstelbare snelheid en capaciteit DNA kunnen uitlezen dat het mogelijk werd om ook van complexe levensgemeenschappen een groot deel in beeld te brengen.
Craig Venter aan boord van zijn onderzoeksjacht Sorcerer II.
J. Craig Venter Institute
Venter is na zijn analyse van het DNA van de Sargassozee met zijn schip de Sorcerer II verder de wereld over gaan varen in een expeditie die bekend is geworden als de Global Ocean Survey. Uit de analyse van de talloze DNA monsters zijn verschillende nieuwe inzichten ontstaan. Zo bleken Archaea (oerbacteriën) te beschikken over het cruciale gen dat nodig is om ammonium te oxideren tot nitraat. Tot dan toe was dit alleen bekend van een aantal bacteriesoorten. Ook bleken virussen een belangrijk reservoir te zijn van genetische informatie voor het plankton van de oceaan. Terwijl voor dieren de opbrengstcurve van het DNA-onderzoek alweer aan het afvlakken is, blijkt de oceaan nog bij elke nieuwe DNA-analyse nieuwe genen op te leveren. Daar is het einde nog niet in zicht.
Uit onderzoek op zee blijkt dat lysogenie een goede strategie is om magere tijden uit te zitten, bijvoorbeeld als de gastheer niet genoeg voedsel heeft of in lage aantallen aanwezig is. Immers, de nieuwe virussen worden alleen gemaakt bij de gratie van de stofwisseling van de gastheer. En virus en gastheer ontmoeten elkaar bij gebrek aan zwemvermogen alleen bij toeval, dus hoe meer er zijn, hoe beter de kans elkaar tegen te komen. De open oceaan heeft over het algemeen erg lage concentraties voedingstoffen. Lysogenie is daar dan ook de belangrijkste virale strategie.
Biodiversiteit
Mariene virussen zijn wel met velen, maar ze kunnen niet allemaal alles en iedereen infecteren. De meeste virussen kunnen maar één soort infecteren, soms zelfs alleen één specifieke ondersoort. Dit komt omdat de eencellige gastheer er natuurlijk alles aan doet om niet geïnfecteerd te raken. Er is een constante wedloop tussen de gastheer die probeert resistent te worden tegen virusinfectie en het virus dat zich aanpast om de gastheer wél weer te infecteren. Afhankelijk van de gastheer, de virussoort en de omstandigheden kan dit proces heel langzaam, maar ook heel snel gaan. Hierdoor spelen virussen een belangrijke rol in het ontstaan en vergroten van biodiversiteit. Ze stimuleren niet alleen soortenrijkdom maar sturen ook de aantallen exemplaren van elke (onder)soort.
Als een bepaalde soort gastheer een hoge efficiëntie heeft voor het opnemen van voedingstoffen, zal die het beter doen dan de concurrent en kan de soort tot bloei komen. Door die verhoogde aantallen kunnen de virussen zich vervolgens ook makkelijker verspreiden. Daarmee decimeren ze de gastheerpopulatie, net als bij een epidemie. Door toedoen van deze verhoogde virusactiviteit overleven nu juist de concurrerende soorten of de soortgenoten die resistent zijn geworden voor het betreffende virus. Zo kan het dus zijn dat de soorten die in lage aantallen gevonden worden in de zee toch de efficiënte groeiers zijn, maar dat ze in toom gehouden worden door virale lysis. Hun gevoeligheid voor virusinfecties en mogelijk ook begrazing zorgt er dan voor dat de hoge productie gelijk verloren gaat.
Virussen beïnvloeden ook de genetische diversiteit. Tijdens de virale levenscyclus wordt er vaak genetische materiaal uitgewisseld tussen gastheer en virus, de zogenoemde horizontale genoverdracht. Zo’n overspringend stukje DNA kan voordeel opleveren voor gastheer of virus. Zo zijn er virussen die, ondanks dat ze geen eigen metabolisme hebben, toch de genen bij zich dragen die een deel van de fotosynthese kunnen uitvoeren. Het blijkt dat deze genen ook daadwerkelijk tot expressie worden gebracht wanneer de virussen de gastheren Synechococcus en Prochlorococcus infecteren. Beiden zijn de meest voorkomende cyanobacteriën die fotoautotroof leven in de oceaan: ze gebruiken zonlicht voor hun energievoorziening. Wanneer die cyanobacteriën worden geïnfecteerd met een virus dat fotosynthesegenen in zich draagt, kan het virus dus de fitness van de gastheer verhogen, en daarmee ook de productie van de eigen virusnakomelingen.
Reuzenvirussen
Het genetisch materiaal van virussen bestaat uit dubbele of enkele strengen, DNA of RNA, lineair of cirkelvorming, heel lang (200 duizend baseparen) of juist heel kort (4 baseparen). Ook mariene virussen zijn er in vele vormen en maten. Recent zijn er zelfs extreem grote virussen geïsoleerd met een uitzonderlijke hoeveelheid genetisch materiaal: een genoom van meer dan 1 miljoen baseparen. Virussen met zo veel genen, waaronder ook genen die normaal alleen in ‘gewone’ organismen worden gevonden, zijn heel interessant voor evolutievraagstukken. En niet alleen deze mariene reuzenvirussen zijn interessant. Door gebruik van de recente ontwikkelingen in moleculaire technieken krijgen we langzaam meer inzicht in wat er zich nog meer in het zoute water bevindt.
Tot voor kort onbekende families van bijvoorbeeld hele kleine RNA virussen, gemiddeld 8 duizend baseparen groot, zijn ontdekt door middel van metagenomic sequencing. Dit soort studies laat ook zien dat deze RNA-virussen op nog geen enkel bekend RNA-virus lijken. Voor een deel komt dat doordat we gewoon nog niet genoeg weten van RNA-virussen, maar voor een ander deel ook zeker omdat het geheel nieuwe families betreft. De genetische diversiteit van virussen blijkt onvoorstelbaar groot en wordt momenteel geschat op enkele honderdduizenden verschillende genotypen. Het overgrote deel daarvan is nog onbekend.
De virusdeeltjes zelf kunnen er ook heel verschillend uitzien. Zo zijn veel van de virussen die algen infecteren hexagonaal van vorm. De meeste bacteriovirussen (fagen) hebben ook een soort ‘staart’ waarmee ze hun genetisch materiaal in de gastheer kunnen injecteren. De lengte van deze staart kan variëren van een enkele tot een paar honderd nanometer. De virussen die de zogenoemde archaea infecteren (een van de domeinen van leven, naast bacteriën en eukaryoten) hebben juist heel andere vormen. Van archaea wordt verondersteld dat ze zijn aangepast aan stressvolle omstandigheden en daardoor succesvol zijn in meer extreme omgevingen, zoals de diepzee, of heetwaterbronnen. Er zijn spoel-, limoen-, druppelvormige en lineaire archaeovirussen gevonden, maar niet allemaal in zeewater. Het mariene reuzenvirus Megavirus chilensis heeft zelfs haarachtige draden aan de buitenkant zitten, zie de foto hiernaast. Het zou kunnen dat het virus zich daarmee groter voordoet (700 nanometer) en zich zo vermomt als een goede prooi voor een bacterie. Daarmee zou hij makkelijk zijn gastheer binnenkomen.
Om vragen over de interactie tussen virus en gastheer onder verschillende omstandigheden goed te kunnen beantwoorden is het nodig om gastheer-virus modelsystemen in het laboratorium in cultuur te krijgen. Daarvoor moeten beide geïsoleerd worden en dat valt niet altijd mee. De condities waaronder de gastheer groeit zijn nog niet altijd genoeg bekend. Ook willen virussen hun infectiekracht soms verliezen, of de gastheer wordt resistent. Ook in het laboratorium gaat de wedloop tussen gastheer en virus gewoon door. Maar als het goed gaat kan je inzicht krijgen in hoe de virussen de gastheer infecteren en hoeveel en hoe snel er nieuwe virussen geproduceerd worden. Ook kun je in detail de genetische informatie van het virus onderzoeken en kun je zien hoe succesvol virussen zijn als de gastheer zich moet aanpassen aan veranderende omstandigheden. Daarmee kunnen we dan bijvoorbeeld beter voorspellen wat de effecten kunnen zijn van klimaatverandering.
Ecologisch nut
Door sterfte van de gastheer komen niet alleen de nieuwe virussen vrij, maar ook de celinhoud van de gestorven gastheer. Bacteriën gebruiken deze organische componenten en bij deze afbraak komen ook weer wat elementaire voedingszouten zoals fosfaat en ammonium vrij in de waterkolom. Die kunnen weer door de omringende algen worden gebruikt. Zeker wanneer algen in hun groei beperkt worden door gebrek aan voedingsstoffen, zoals het geval is in de open oceaan, kan deze afbraak van cellen door virussen een belangrijke impuls geven aan de groei van andere cellen.
Op de schaal van het complete ecosysteem hebben virussen dus ook zeker een positief effect. Zij stimuleren de kringloop van elementen. De manier waarop organismen in zee sterven is van groot belang voor het functioneren van het voedselweb en daarmee de draagkracht van het complete ecosysteem. Traditioneel werd begrazing van eencellige algen en cyanobacteriën door zoöplankton gezien als de belangrijkste verliesfactor. Daarbij vormt de een de prooi voor de ander en loopt de stroom van organische koolstof (biomassa) naar hogere trofische niveaus om te eindigen bij de toppredator. Inmiddels is sterfte door virale infecties een belangrijk onderdeel geworden van de theoretische modellen, en is de rol van grazers in de modellen afgenomen.