Studie: Einzeller können Tausende unbekannte Viren beherbergen

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Medizin Doc Redaktion, aktualisiert am 13. April 2023, Lesezeit: 9 Minuten

Mit Hilfe des Hochleistungscomputerclusters „Leo“ und eingehender Untersuchungen haben Forscher der Universität Innsbruck mehr als 30.000 verschiedene Viren identifiziert. In der DNA der einzelligen Lebewesen verstecken sich die Viren. Bis zu zehn Prozent der DNA einiger Mikroorganismen bestehen aus Viren, die bereits im Organismus vorhanden sind.

Um was geht es in der Studie?

Eine unerwartete Entdeckung machten Dr. Christopher Bellas, Marie-Sophie Plakolb und Professor Ruben Sommaruga vom Institut für Ökologie der Universität Innsbruck bei einer groß angelegten Untersuchung von komplizierten einzelligen Mikroorganismen. Sie entdeckten die DNA von mehr als 30.000 bisher nicht identifizierten Viren, die in das Genom der Mikroorganismen eingebaut waren. Es ist möglich, dass diese „versteckte“ DNA es der Wirtszelle ermöglichen könnte, voll funktionsfähige und vollständige Viren zu replizieren.

„Wir waren sehr überrascht, wie viele Viren wir durch diese Analyse gefunden haben“, fügt Bellas hinzu. „Wir hatten keine Ahnung, dass es so viele gibt.“ Es wurde festgestellt, dass versteckte Viren in einigen Fällen bis zu zehn Prozent der DNA einer Mikrobe ausmachen können. Es scheint, dass diese Viren ihren Wirten keinen Schaden zufügen. Im Gegenteil, es gibt viele, die sie sogar verteidigen könnten. Viele von ihnen scheinen den so genannten Virophagen sehr ähnlich zu sein. Diese Viren dringen in ihre Wirtszelle ein, wo sie dann Jagd auf andere Viren machen und diese töten.

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universität Groningen durchgeführt. Sie wurde vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) unterstützt und wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Die Rolle der Viren als Beschützer

Jedes einzelne Lebewesen, von Bakterien bis zum Menschen, ist ständig mit verschiedenen Viren infiziert. Einige sind immer vorhanden, obwohl sie nur manchmal Symptome hervorrufen. Ein Beispiel dafür ist das Herpesvirus, das im Menschen vorkommt. Andere verbergen sich noch besser, indem sie sich in das Erbgut des Wirts integrieren.

Den Forschungsergebnissen zufolge wimmelt es in einer beträchtlichen Anzahl der zahlreichen einzelligen eukaryotischen (komplexen) Lebewesen auf der Erde von Viren. Diese Lebewesen sind überall anzutreffen und umfassen menschliche Parasiten ebenso wie die in Seen und Ozeanen reichlich vorhandenen Algen. Auch im Boden sind Amöben zu finden.

Bellas zufolge ist der Grund für die Entdeckung so vieler Viren in den Genomen von Bakterien noch nicht bekannt. Die überzeugendsten Beweise deuten auf die Möglichkeit hin, dass sie schädliche Viren daran hindern, die Zelle zu infizieren. „Riesenviren“, eine Art von Viren, die so groß wie Bakterien sein können, sind für die Infektion einer beträchtlichen Anzahl von eukaryotischen Einzellern verantwortlich.

Diese Infektionen führen schließlich zum Tod des Wirts, da dieser neue Kopien des großen Virus produziert. Wenn jedoch ein Virophage in der Wirtszelle vorhanden ist, programmiert er das große Virus um, um weitere Virophagen zu produzieren. Infolgedessen ist es gelegentlich möglich, das große Virus abzuwehren und so die Auslöschung der Wirtszellpopulation zu verhindern.

Die neu gefundenen Viren haben eine DNA, die der von Virophagen sehr ähnlich ist. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die Bakterien, die als Wirte dienen, diese eingebauten Viren als Mittel zur Selbstverteidigung gegen große Viren einsetzen.

DNA aus einem Bergsee

Im Jahr 2021 entdeckten Bellas und Sommaruga eine neue Gruppe von Viren im Wasser des Gossenkollesees in Tirol, Österreich. Diese Entdeckung diente als Inspiration für das Forschungsprojekt, das sie daraufhin entwickelten. „Als wir mit den Forschungen begannen, war unser primäres Ziel, die Quelle der neu entdeckten ‚Polinton-ähnlichen Viren‘ zu identifizieren“, sagt Bellas.

Die Forscher waren jedoch nicht in der Lage, die Arten von Lebewesen zu identifizieren, die typischerweise von diesen Viren befallen werden. Deshalb haben sie sich entschlossen, in einer groß angelegten Studie jedes einzelne Bakterium zu untersuchen, dessen DNA-Sequenz bekannt ist.

Die riesige Datensammlung, die von den Forschern analysiert wurde, enthielt nur DNA-Sequenzen, und zwar eine Sequenz der Buchstaben ATGC, die die Grundlage für die Kodierung aller Gene ist. Trotzdem nimmt der Datensatz mehrere hundert Gigabyte Speicherplatz in Anspruch.

Nur durch den Einsatz modernster Technologie war es möglich, diese riesige Datenmenge zu durchsuchen und die im Vergleich dazu winzigen Virensequenzen aufzufinden. Dank des Hochleistungscomputerclusters „Leo“, der an der Universität Innsbruck untergebracht ist, konnte die Datensammlung zeitnah ausgewertet werden.

Mit der von Oxford Nanopore entwickelten Spitzentechnologie wurden auch DNA-Sequenzen aus Mikroorganismen ausgelesen. Bei dieser innovativen Methode wird die DNA durch eine Membran bewegt, die sehr kleine Poren enthält. Jede der vier Basen A, G, C und T ist dafür verantwortlich, einen elektrischen Strom zu unterbrechen und ein Signal zu erzeugen, mit dem die Reihenfolge der DNA-Stränge bestimmt werden kann.

Am Ende entdeckten die Forscher weit mehr als nur die Viren, nach denen sie gesucht hatten. Diese überraschende Entdeckung wird zu weiteren Forschungen anregen, um die Rolle dieser Viren im menschlichen Körper zu untersuchen.

Zum Hintergrund: Die Rolle der Viren in Organismen und der Evolution

Lange Zeit galten Viren lediglich als Krankheitserreger, die Menschen, Tiere und Pflanzen infizieren und schädigen. Mit dem Fortschritt von Forschung und Technologie haben wir jedoch erkannt, dass Viren eine wichtige Rolle im Ökosystem spielen und ein wesentlicher Bestandteil der Evolution des Lebens auf der Erde sind. In diesem Artikel werden wir die verschiedenen Rollen untersuchen, die Viren in Organismen spielen und wie sie zum Prozess der Evolution beitragen.

Was sind Viren?

Viren sind winzige Infektionserreger, die kleiner als Bakterien sind und sich nicht selbständig vermehren können. Sie benötigen eine Wirtszelle, um sich zu reproduzieren und zu vermehren. Ein Virus besteht aus einem genetischen Material (DNA oder RNA), das von einer Proteinhülle (Kapsid) umgeben ist. Einige Viren haben auch eine Hülle aus Lipiden, die das Kapsid umschließen.

Viren können alle Lebensformen infizieren, von Bakterien bis hin zu Pflanzen und Tieren, und sie können eine Reihe von Krankheiten verursachen, die von leicht bis schwer reichen. Zu den häufigsten Viruserkrankungen gehören Grippe, Erkältung, Windpocken und HIV/AIDS.

Die Rolle von Viren in Organismen

Viren als Krankheitserreger: Es ist bekannt, dass Viren in Organismen eine Reihe von leichten bis schweren Krankheiten verursachen können. Einige Viren, wie z. B. das Grippevirus, können saisonale Ausbrüche verursachen, von denen weltweit Millionen von Menschen betroffen sind. Andere Viren, wie z. B. HIV, können chronische Infektionen verursachen, die zur Entwicklung von AIDS führen können.

Viren als Mutualisten: Obwohl Viren in der Regel als Krankheitserreger betrachtet werden, hat man festgestellt, dass einige Viren eine nützliche Beziehung zu ihren Wirten unterhalten. So können beispielsweise Bakteriophagen, die Bakterien infizieren, dazu beitragen, die Population schädlicher Bakterien zu kontrollieren und das Wachstum nützlicher Bakterien zu fördern. Es wurde auch festgestellt, dass einige Viren ihre Wirte vor anderen Krankheitserregern schützen, indem sie deren Immunsystem stärken.

Viren als Regulatoren von Wirtspopulationen: Viren können auch eine Rolle bei der Regulierung der Populationen ihrer Wirte spielen. Beispielsweise können Viren, die Insekten infizieren, wie Baculoviren, Massenausbrüche verursachen, die zum Tod einer großen Anzahl von Insekten führen. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf das Ökosystem haben, da die Zahl der Insektenschädlinge zurückgeht.

Die Rolle von Viren in der Evolution

Viren als Treiber der genetischen Vielfalt: Es ist bekannt, dass Viren sehr vielfältig sind und schnell mutieren können. Dies kann zur Entstehung neuer Virusstämme mit unterschiedlichen Eigenschaften führen, wie z. B. erhöhte Virulenz oder die Fähigkeit, neue Wirte zu infizieren. Dieser Prozess kann die Evolution von Organismen vorantreiben, indem er neue Herausforderungen und Möglichkeiten zur Anpassung schafft.

Viren als Träger des horizontalen Gentransfers: Viren können genetisches Material zwischen Organismen übertragen. Dieser Prozess kann zum Erwerb neuer Eigenschaften führen, die für den Wirt von Vorteil sein können. So kann beispielsweise die Übertragung von Genen der Antibiotikaresistenz von Bakterien auf andere Organismen dazu beitragen, dass diese in Umgebungen mit hohen Antibiotikakonzentrationen überleben.

Viren als Quelle genetischer Neuerungen: Einige Viren, wie z. B. Retroviren, können ihr genetisches Material in das Genom des Wirts integrieren. Dieser Prozess kann zur Entstehung neuer Gene und zur Veränderung bestehender Gene führen. Diese Veränderungen können zur Evolution des Wirtsorganismus beitragen, indem sie neue Funktionen bereitstellen oder bestehende Funktionen verbessern.

Viren als Treiber der Koevolution: Die Beziehung zwischen Viren und ihren Wirten ist häufig durch Koevolution gekennzeichnet. Während sich die Viren weiterentwickeln, um ihre Wirte besser zu infizieren und zu replizieren, entwickeln sich die Wirte weiter, um einer Infektion besser zu widerstehen.

Dieser Prozess kann zur Entstehung neuer Eigenschaften und Anpassungen sowohl beim Virus als auch beim Wirt führen, was eine fortlaufende koevolutionäre Dynamik bewirkt. Dieser Prozess lässt sich an der Evolution des menschlichen Immunsystems ablesen, das sich so entwickelt hat, dass es eine Vielzahl von Virusinfektionen erkennen und abwehren kann.

Viren als Treiber der Speziation: Viren können auch beim Prozess der Speziation, der Bildung neuer Arten, eine Rolle spielen. Wenn ein Virus eine Population von Organismen infiziert, kann es eine Barriere für den Genfluss zwischen infizierten und nicht infizierten Individuen schaffen. Dies kann dazu führen, dass sich im Laufe der Zeit genetische Unterschiede zwischen den beiden Gruppen herausbilden, die schließlich zur Bildung eigener Arten führen.

Zusammenfassung

Viren spielen eine Vielzahl von Rollen in Organismen und sind ein wesentlicher Bestandteil der Evolution des Lebens auf der Erde. Viren werden zwar häufig als Krankheitserreger angesehen, spielen aber auch eine wichtige Rolle als Mutualisten, Gentransferagenten und Regulatoren von Wirtspopulationen.

Darüber hinaus sind Viren Treiber der genetischen Vielfalt, Agenten des horizontalen Gentransfers, Quellen genetischer Neuerungen, Treiber der Koevolution und Treiber der Speziation. Das Verständnis der komplexen Rolle von Viren in Organismen und in der Evolution ist unerlässlich für die Entwicklung wirksamer Strategien zur Bekämpfung und Verhütung von Viruserkrankungen sowie für das Verständnis der umfassenderen Prozesse, die das Leben auf der Erde prägen.

Quellen

  1. Christopher Bellas, Thomas Hackl, Marie-Sophie Plakolb, Anna Koslová, Matthias G. Fischer, Ruben Sommaruga. Large-scale invasion of unicellular eukaryotic genomes by integrating DNA viruses. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; 120 (16) DOI: 10.1073/pnas.2300465120
  2. Types of Microorganisms, Libretexts Biology, Dez. 2022.
  3. Microorganism, Wikipedia, 2023.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit einem medizinischen Thema, einem Gesundheitsthema oder einem oder mehreren Krankheitsbildern. Dieser Artikel dient nicht der Selbst-Diagnose und ersetzt auch keine Diagnose durch einen Arzt. Bitte lesen und beachten Sie hier auch den Hinweis zu Gesundheitsthemen

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