Los cianófagos son virus que infectan a las cianobacterias , también conocidas como Cyanophyta o algas verdeazuladas. Las cianobacterias son un filo de bacterias que obtienen su energía a través del proceso de fotosíntesis . [1] [2] Aunque las cianobacterias metabolizan fotoautotróficamente como las plantas eucariotas, tienen una estructura celular procariota . Los cianófagos se pueden encontrar tanto en ambientes de agua dulce como marinos. [3] Los cianófagos marinos y de agua dulce tienen cabezas icosaédricas , que contienen ADN bicatenario, unidas a una cola mediante proteínas conectoras. [4] El tamaño de la cabeza y la cola varía entre las especies de cianófagos. Los cianófagos infectan una amplia gama de cianobacterias y son reguladores clave de las poblaciones de cianobacterias en ambientes acuáticos, y pueden ayudar a prevenir las floraciones de cianobacterias en ecosistemas de agua dulce y marinos. Estas floraciones pueden representar un peligro para los humanos y otros animales, particularmente en lagos de agua dulce eutróficos . La infección por estos virus es muy frecuente en células pertenecientes a Synechococcus spp. en ambientes marinos, donde se ha informado que hasta el 5% de las células pertenecientes a cianobacterias marinas contienen partículas de fagos maduros. [5]
El primer cianófago descrito, LPP-1, fue informado por Safferman y Morris en 1963. [6] Los cianófagos se clasifican dentro de las familias de bacteriófagos Myoviridae (por ejemplo, AS-1, N-1 ), Podoviridae (por ejemplo, LPP-1) y Siphoviridae (por ejemplo, S-1). [6]
Las siguientes tres familias de cianófagos han sido reconocidas por el Comité Internacional de Taxonomía de Virus (ICTV): Myoviridae , Siphoviridae y Podoviridae ; todas contienen ADN bicatenario. [7] Inicialmente, los cianófagos fueron nombrados según sus huéspedes. Sin embargo, la capacidad de los cianófagos para infectar múltiples huéspedes y la falta de un sistema de nombres universal puede causar dificultades con su clasificación taxonómica. [8] Muchos otros sistemas de clasificación utilizaron propiedades serológicas, morfológicas o fisiológicas. [9] [10] Actualmente, el procedimiento sugerido para nombrar cepas es el siguiente: Cianófago Xx-YYZaa, donde Xx son las dos primeras letras de los nombres de género y especie del huésped en el que se encuentra el fago del espécimen tipo, YY es el origen del espécimen, Z es la familia del virus y aa es el número de referencia del virus. [3]
Al igual que todos los demás bacteriófagos con cola, los cianófagos tienen una cola y una cápside proteica que rodea el material genético. El ADN bicatenario tiene aproximadamente 45 kilo-pares de bases de longitud y en algunos cianófagos codifica genes fotosintéticos, una integrasa o genes involucrados con el metabolismo del fosfato (fosfato inducible). [11] La cola une el virus a la célula huésped y transfiere ADN viral a la célula huésped tras la infección. Según las características morfológicas, los cianófagos se colocan en las familias Myoviridae, Podoviridae y Siphoviridae, y aunque no están formalmente reconocidos por el Comité Internacional de Taxonomía de Virus , históricamente los cianófagos se han clasificado además en Cyanomyovirus, Cyanopodovirus o Cyanostylovirus según en cuál de las tres familias se agrupan. [8]
La especie tipo de Cyanomyovirus de la familia Myoviridae es Cyanophage AS-1, que fue aislado de un estanque de estabilización de desechos, [12] y también fue el primer género reconocido. [13] Las colas se han observado como contráctiles o no contráctiles con longitudes de 20 a 244 nm, anchos de 15 a 23 nm y un rango de contracción de 93 nm. [14] [3] Los cianófagos generalmente tienen cabezas hexagonales isométricas con diámetros que varían de 55 a 90 nm. [14] [3] Hay una gran variación morfológica en este grupo, lo que sugiere que infectan una variedad de especies hospedadoras. [15] En el punto de unión entre la cola larga y la cabeza hay una placa base donde se unen clavijas cortas, una vaina contráctil y un núcleo interno, similar a otros bacteriófagos en Myoviridae. [12]
Los cianopodovirus, dentro de Podoviridae , están presentes tanto en agua dulce como salada. [16] El espécimen tipo de cianopodovirus es Cyanophage LPP-1, que infecta a Lyngbya , Plectonema y Phormidium . [17] Sus cápsides son poliedros que parecen hexagonales en 2-D. [14] Las colas son huecas con simetría radial séxtuple formadas por anillos de seis subunidades con orientación desconocida. [14] De manera similar a los cianomiovirus, se pueden encontrar en estanques de estabilización de desechos y tienen cápsides isométricas de tamaño similar pero colas más cortas. [3]
Los cianostylovirus pertenecen a la familia Siphoviridae , donde la especie tipo es Cyanophage S-1, que se sabe que infecta a Synechococcus . [3] Los cianostyloviridae tienen cápsides isométricas más pequeñas (50 nm de diámetro) que los géneros anteriores, pero colas más largas (140 nm). [18] Otros géneros de esta familia tienen colas que varían de 200 a 300 nm de longitud. [15]
La gama de hospedadores de los cianófagos es muy compleja y se cree que desempeña un papel importante en el control de las poblaciones de cianobacterias . [1] Se ha informado que los cianófagos de agua dulce infectan hospedadores de más de un género , aunque esto también puede reflejar problemas en la clasificación taxonómica de sus hospedadores. No obstante, se han clasificado en tres grupos principales según la taxonomía de su organismo hospedador . [1] [3]
El primer grupo es LPP, que pertenece a los cianopodovirus. [1] Este grupo de virus incluye el cianófago aislado original que infectó a las "algas verdeazuladas". [13] [3] Los cianófagos de este grupo son fáciles de aislar del medio ambiente. [3] Llevan colas cortas no contráctiles y causan la lisis de varias especies dentro de tres géneros de cianobacterias: Lyngbya , Plectonema y Phormidium . [3] Por lo tanto, el nombre LPP se deriva de los tres géneros de huéspedes que infectan. [13] LPP-1 y LPP-2 son dos tipos principales de cianófagos LPP. [19] Este grupo de cianófagos tiene el mismo rango de huéspedes; sin embargo, su suero y otros fluidos corporales no son los mismos. [19]
Los grupos AS y SM representan el tercer grupo de cianófagos clasificados según el rango de hospedadores. [1] Se dice que este grupo de virus son las “nuevas algas verdeazuladas” e infectan formas unicelulares de cianobacterias . [3] [20] [12] El miovirus AS-1 infecta a Anacystis nidulans , [21] Synechococcus cedrorum , Synechococcus elongatus y Microcystis aeruginosa . [3] De manera similar, las algas verdeazuladas unicelulares Synechococcus elongatus y Microcystis aeruginosa son infectadas por el podovirus SM-1. [3] [22] Hay un nuevo grupo SM de virus, conocido como SM-2, que también lisa a Microcystis aeruginosa [22] .
Los cianófagos clasificados en los grupos A, AN, N y NP representan un segundo grupo de cianófagos clasificados según el rango de hospedadores. [18] [1] [23] [24] Desempeñan un papel importante al infectar y causar lisis de miembros de los géneros Nostoc , Anabaena y Plectonema . [1] El grupo A del virus causa lisis e infecta a las especies de Anabaena . [3] De manera similar, el rango de hospedadores del grupo AN incluye tanto a las especies de Anabaena como a las de Nostoc ; mientras que el grupo de virus N infecta solo a las especies de Nostoc e incluye al cianófago N-1 . [3] El cianófago N-1 es notable porque codifica una matriz CRISPR funcional que puede proporcionar inmunidad al hospedador a la infección por cianófagos competidores. [25] Por último, los aislamientos cianobacterianos de las especies de Nostoc y Plectonema están infectados por el grupo de virus NP. [3] Estos aislamientos de cianobacterias se relacionan estrechamente con el grupo taxonómico de Nostoc . [3] Todos ellos tienen un amplio rango de hospedadores y las mutaciones son notables en estos grupos de virus. [3]
La replicación de los cianófagos tiene dos ciclos dominantes: el ciclo lítico y el ciclo lisogénico . La replicación de ácidos nucleicos virales y la síntesis inmediata de proteínas codificadas por el virus se considera el ciclo lítico. Los fagos se consideran líticos si solo tienen la capacidad de entrar en el ciclo lítico; mientras que los fagos templados pueden entrar en el ciclo lítico o integrarse de forma estable con el genoma del huésped y entrar en el ciclo lisogénico. [26] Para satisfacer la demanda metabólica de replicación, los virus reclutan una multitud de estrategias para secuestrar nutrientes de su huésped. Una de esas técnicas es privar de nutrientes a su célula huésped. Esto se hace inhibiendo la fijación de CO 2 de las células huésped , lo que permite al cianófago reclutar redox y ATP formados fotosintéticamente de la célula huésped para satisfacer su respuesta metabólica y de nucleótidos. [27] Muchos cianófagos contienen genes conocidos como genes metabólicos auxiliares codificados por el virus (AMG), que codifican pasos críticos y limitantes de la velocidad del organismo huésped. [27] Los AMG codifican genes para la vía de la pentosa fosfato, la adquisición de fosfato, el metabolismo del azufre y el procesamiento de ADN/ARN; estos genes interfieren con el metabolismo de la célula huésped. El análisis metagenómico apoya firmemente la noción de que estos genes promueven la replicación viral a través de la degradación del ADN y ARN del huésped, así como un cambio en el metabolismo de la célula huésped a la biosíntesis de nucleótidos. [27] Los cianófagos también utilizan estos genes para mantener la fotosíntesis del huésped a través de la progresión de la infección, trasladando la energía de la fijación de carbono al anabolismo, del que se aprovecha el virus. [28] Los AMG también codifican proteínas, que ayudan en la reparación del fotosistema del huésped, que es susceptible a la fotodegradación. [28] Un ejemplo de ello son las proteínas D1 que reemplazan la proteína D1 de las células huésped cuando se daña. [28] El virus regula positivamente la fotosíntesis, lo que conduce a una mayor tasa de degradación de la proteína D1; la célula huésped por sí sola no puede reemplazar eficientemente estas proteínas, por lo que el cianófago las reemplaza por la célula huésped, lo que le permite continuar proporcionando energía para el ciclo de replicación del cianófago. [28]
Es evidente que la replicación de los cianófagos depende en gran medida del ciclo diurno. El primer paso del ciclo infeccioso es que el cianófago haga contacto y se una a la cianobacteria; este proceso de adsorción depende en gran medida de la intensidad de la luz. [29] Los estudios de campo también muestran que la infección y la replicación de los cianófagos están sincronizadas directa o indirectamente con el ciclo de luz-oscuridad. [29]
Los cianófagos, al igual que otros bacteriófagos, dependen del movimiento browniano para colisionar con las bacterias y luego utilizan proteínas de unión a receptores para reconocer las proteínas de la superficie celular, lo que conduce a la adherencia. Los virus con colas contráctiles dependen entonces de los receptores que se encuentran en sus colas para reconocer proteínas altamente conservadas en la superficie de la célula huésped. [30] Los cianófagos también tienen varias proteínas de superficie con dominios similares a las Ig, que se utilizan para la adherencia. [30]
Algunos cianófagos también producen una estructura similar a un cuerno, que se proyecta desde el vértice opuesto a la cola. [31] Se plantea la hipótesis de que la estructura similar a un cuerno ayuda a la adhesión a las células en el entorno natural; sin embargo, esto no ha sido confirmado. [31]
Los cianófagos pueden experimentar tanto ciclos líticos como lisogénicos dependiendo de los virus y su entorno. [32] [33] En un estudio sobre cianomiovirus que infectaban a Synechococcus sp. marinos, se demostró que la fase lítica duraba aproximadamente 17 horas y que el número promedio de virus producidos por cada célula que se lizaba (tamaño de la ráfaga) variaba de 328 con mucha luz a 151 con poca luz. [34] Hay evidencia que respalda la premisa de que existe una correlación entre la intensidad de la luz y el tamaño de la ráfaga. [29] Los estudios muestran que la replicación de los cianófagos está impulsada por la energía del metabolismo fotosintético de la célula huésped. [35] La lisis de la célula huésped tiende a ocurrir después de completarse la replicación del ADN del huésped e inmediatamente antes de la división celular. [35] Esto se debe a la mayor disponibilidad de recursos para la replicación de partículas virales. [ cita requerida ]
Ciertos cianófagos infectan y revientan Prochlorococcus , los productores primarios más pequeños y abundantes del mundo. [37] [11] Los cianófagos marinos de la familia Myoviridae ayudan a regular la producción primaria principalmente a través de la infección de Synechococcus spp. [3] Las otras dos familias, Podoviridae y Siphoviridae , se encuentran generalmente en ecosistemas de agua dulce. [3] En los océanos costeros, la abundancia de virus que infectan a Synechococcus spp. puede alcanzar >10 6 mL −1 y 10 5 g −1 en sedimentos. [3] Se estima que los cianófagos eliminan diariamente un 3% de Synechococcus . [3] Los cianófagos están ampliamente distribuidos tanto en la columna de agua como geográficamente. [3] [37] [38] Se ha descubierto que las poblaciones de cianófagos habitan tapetes microbianos en el Ártico a través de análisis metagenómicos y lagunas hipersalinas. [38] [4] Pueden soportar temperaturas que van desde 12 a 30 °C y salinidades de 18-70 ppt. [4] El ADN de los cianófagos es susceptible a la degradación por rayos UV pero puede ser restaurado en las células huésped a través de un proceso llamado " fotorreactivación ". [39] Los virus no pueden moverse independientemente y deben depender de corrientes, mezclas y células huésped para transportarse. Los virus no pueden dirigirse activamente a sus huéspedes y deben esperar para encontrarlos. La mayor probabilidad de colisión puede explicar por qué los cianófagos de la familia Myoviridae infectan principalmente a una de las cianobacterias más abundantes, Synechoccocus . [3] La evidencia de covariación estacional entre los fagos y los huéspedes, además de un aumento de cianófagos por encima de un umbral de 10 3 a 10 4 Synechococcus mL −1 , puede sugerir una dinámica de " matar al ganador ". [3]
Los miembros del género Synechococcus contribuyen con aproximadamente el 25 % de la productividad fotosintética primaria en el océano, lo que tiene un efecto significativo de abajo hacia arriba en los niveles tróficos superiores. [40] La materia orgánica disuelta (DOM) liberada de la lisis viral por los cianófagos puede desviarse al circuito microbiano donde es reciclada o rechazada por bacterias heterotróficas para formar materia recalcitrante que finalmente queda enterrada en el sedimento. [40] [41] Este es un paso importante en el secuestro de carbono atmosférico, comúnmente conocido como la bomba biológica , y el mantenimiento de otros ciclos biogeoquímicos . [40]
Las cianobacterias realizan la fotosíntesis oxigénica, que se cree que es el origen del oxígeno atmosférico hace aproximadamente 2,5 Ga. [42] La población y, por lo tanto, la tasa de evolución del oxígeno pueden ser reguladas por los cianófagos. En ciertas especies de cianobacterias, como Trichodesmium que realizan la fijación de nitrógeno, los cianófagos son capaces de aumentar la tasa de suministro de nitrógeno orgánico biodisponible a través de la lisis. [43] [44]
Los cianófagos también infectan a las cianobacterias formadoras de floraciones que pueden ser tóxicas para la salud de los humanos y otros animales a través de la producción de microcistina y causar eutrofización , lo que lleva a zonas de mínimo de oxígeno . Los cianófagos pueden infectar y matar cuatro cianobacterias formadoras de floraciones comunes: Lyngbya birgei , Anabaena circinalis , Anabaena flosaquae y Microcystis aeruginosa , [26] y, por lo tanto, pueden prevenir las floraciones de algas dañinas en condiciones normales. Las floraciones causan problemas ecológicos, económicos y en los sistemas de agua dulce, afectan negativamente la calidad del agua potable. [45] Los picos en las poblaciones de cianobacterias generalmente son provocados por aumentos de nutrientes debido a la escorrentía de fertilizantes, polvo y aguas residuales. [46] Al matar a los huéspedes, los cianófagos pueden ayudar a restaurar los ecosistemas a su equilibrio natural. [ cita requerida ]
Además de regular el tamaño de la población, los cianófagos probablemente influyen en la composición filogenética al permitir que crezca otro fitoplancton normalmente inhibido por las cianobacterias. [46] La especificidad con la que los cianófagos se dirigen a varios huéspedes también afecta a la estructura de la comunidad. Debido a la fase lisogénica de su ciclo de replicación, los cianófagos pueden comportarse como elementos genéticos móviles para la diversificación genética de sus huéspedes a través de la transferencia horizontal de genes . [47] [27] Se ha planteado la hipótesis de que si la fase lítica o lisogénica domina en un área determinada depende de las condiciones eutróficas u oligotróficas, respectivamente. [41] El aumento en el número de encuentros está directamente relacionado con un aumento en la tasa de infección, lo que proporciona más oportunidades para la presión selectiva, lo que hace que Synechococcus costero sea más resistente a la infección viral que sus contrapartes de alta mar. [3]