En lagos de agua dulce, los microbios regulan el flujo de carbono y determinan si los cuerpos de agua sirven como sumideros de carbono o fuentes de carbono. Las algas y las cianobacterias en particular pueden atrapar y utilizar carbono, pero su capacidad para hacerlo puede verse afectada por virus. Los virus existen entre todas las bacterias, generalmente en un exceso de 10 veces, y se componen de varios tamaños que van desde virus gigantes, a virus mucho más pequeños conocidos como virófagos (que viven en virus gigantes y usan su maquinaria para replicarse y propagarse). Los virófagos pueden cambiar la forma en que un virus gigante interactúa con su célula eucariota huésped. Por ejemplo, si las algas están coinfectadas por un virófago y un virus gigante, el virófago limita la capacidad del virus gigante para replicarse de manera eficiente. Esto reduce el impacto que tiene un virus gigante en la desviación de nutrientes, permitir que las algas huésped se multipliquen, lo que podría conducir a floraciones de algas más frecuentes.

Utilizando conjuntos de datos de metagenomas recopilados durante varios años en los lagos de agua dulce del norte, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio y el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE JGI), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, descubrió 25 secuencias novedosas de virófagos. Reportado el 11 de octubre, 2017 en Comunicaciones de la naturaleza , la identificación de estas secuencias novedosas duplica efectivamente el número de virófagos conocidos desde su descubrimiento hace una década.

"Por lo general, los conjuntos de datos del metagenoma son únicos, ", dijo el científico y primer autor del DOE JGI, Simon Roux." La gente había comenzado a ver virófagos en los metagenomas, pero nadie tenía una serie de tiempo larga hasta ahora. ¿Estuvo aquí una vez? ¿Siempre? Realmente nunca supimos esto pero es un dato fundamental para comprender su importancia ".

El trabajo surgió de una propuesta del Programa de Ciencias de la Comunidad (CSP) que involucra a los lagos de agua dulce del norte por KT (Trina) McMahon de la Universidad de Wisconsin-Madison. Las muestras de comunidades microbianas en el lago Mendota y el lago Trout Bog se recolectaron regularmente durante varios años como parte del proyecto de Investigación Ecológica a Largo Plazo de los Lagos Templados del Norte (NTL-LTER) financiado por la NSF de la Fundación Nacional de Ciencias. La secuenciación y el análisis de estos metagenomas de las series de tiempo de 3 y 5 años permite a los investigadores identificar a los miembros de la comunidad, determinar sus vías metabólicas, y seguir los cambios en las comunidades durante varios años.

Más allá de mirar las comunidades microbianas, McMahon y Rex Malmstrom, jefe del grupo de aplicaciones de microescala DOE JGI, le preguntó al colaborador Matt Sullivan de la Universidad Estatal de Ohio si estaría interesado en usar los mismos conjuntos de datos metagenómicos para observar la ecología viral de los lagos. Roux comenzó a extraer los conjuntos de datos cuando todavía era un becario postdoctoral en el laboratorio de Sullivan. "Sabía que había muchos virus en los datos de la secuencia, pero no es que algunos de los virus fueran hospedadores de otros virus, ", dijo Malmstrom." Con datos de series de tiempo podríamos hacer más que ensamblar el genoma y construir árboles filogenéticos, los datos nos permitieron examinar la variación genética dentro de las poblaciones y buscar patrones de coexistencia y abundancia entre los virófagos y sus huéspedes de virus gigantes. Con tantos puntos de tiempo en el conjunto de datos, puedes encontrar conexiones sólidas ".

Trina McMahon, cuyos conjuntos de datos de CSP fueron la base de este trabajo, dice que tener la información de la ecología viral ayuda a formar una imagen más completa del ecosistema. "Estamos encantados de tener una pieza más del rompecabezas. Los virus claramente están desempeñando un papel importante en la conformación de la composición de la comunidad y, por lo tanto, en su función, de todo el ecosistema del lago. Mi propio laboratorio carece de la experiencia para hacer frente a los virus por sí solo, de ahí que la colaboración con Simon y Matt Sullivan sea tan importante. Nuestro objetivo a largo plazo es aprender lo suficiente sobre las fuerzas que controlan la asamblea y la dinámica de la comunidad, así como los rasgos ecológicos de cada linaje, con el fin de crear modelos más predictivos sobre cómo los lagos de agua dulce responderán al cambio climático y de uso de la tierra, a escala de ecosistema ".

Además de duplicar el número de virófagos en las bases de datos públicas, the time series allowed Roux and his colleagues to see the viruses' ecological profiles - if factors such as the seasons or abundance of particular microbes influenced their own presence. Through co-occurrence analysis, the researchers associated the virophages with sequences of known lineages of giant viruses, and proposed the existence of 3 new groups of candidate giant viruses infected by virophages. These co-occurrence analyses also allowed them to find putative associations between the giant virus sequences and specific eukaryotic hosts.

"These findings are correlation-based, " noted Roux, "but it's a good example of a metagenomics use case. Metagenomes helped us not only discover new viral diversity and determine what it should do in the ecosystem, but it helps us design hypothesis and follow-up experiments about virus-host interactions so we're not just throwing out a wide net blindly."