Estudio comparativo metagenómico viral de ambientes acuáticos extremos

RESUMEN Los virus son entidades biológicas ubicuas con la capacidad de infectar bacterias, arqueas y eucariontes. Los virus, al igual que sus hospederos, pueden estar distribuidos en diversos ambientes, incluyendo los extremos. Dentro de este tipo de ecosistemas, un organismo extremófilo funciona como hospedero de los virus para su replicación, sugiriendo que los virus contribuyen al equilibro de la dinámica poblacional de sus hospederos. A la fecha se tiene información sobre la ecología microbiana de los microorganismos extremófilos, sin embargo, de sus co-simbiontes virales se tiene poco conocimiento. El presente trabajo responde a esta falta de conocimiento, analizando la estructura de las comunidades virales, para poder determinar el papel de los virus en dichos entornos. Además, se evaluó el rol funcional de los virus y sus hospederos. Inicialmente se presenta el estado del arte de la metagenómica viral, desde la toma de muestras, su procesamiento en el laboratorio hasta el análisis bioinformático, dejando claro que se carece de estándares generalizados que permitan comparaciones entre distintos estudios y evaluar posibles sesgos en los datos. Posteriormente, se evaluó la estructura general y funcional de viromas y metagenomas en tres ambientes extremófilos acuáticos: ventilas hidrotermales profundas, sistemas acuáticos de salinidad intermedia y un sistema acuático termófilo circumneutral; cada uno con características fisicoquímicas diferentes representando una muestra de los ambientes extremos. El análisis de la metagenómica estructural reveló que en estos tres ambientes predominan los bacteriófagos de los órdenes Caudovirales y Nucleocytoviricota, mostrando que son ubicuos en estos ecosistemas, no obstante, existe estratificación del viroma dentro de las ventilas hidrotermales. Particularmente en los sedimentos de ventilas hidrotermales, y en los ambientes hipersalinos y termófilos, existen virus característicos del entorno como Microviridae, Hapunaviruses y Herelleviridae respectivamente. Los resultados del ensamble metagenómico mostraron que los virus de DNA de doble cadena, bacteriófagos de bacterias y arqueas, son predominantes sobre los virus de DNA de cadena sencilla. Además, se recuperaron genomas virales completos correspondientes al género Hapunaviruses en los ambientes hipersalinos. Los análisis del metagenoma funcional revelaron que las proteínas de virus más abundantes corresponden a secuencias con la estructura del virión, además de las involucradas en procesos de replicación, transcripción y reparación del DNA. Adicionalmente se recuperaron genes virales auxiliares del metabolismo, los cuales están involucrados en el metabolismo de carbohidratos, de aminoácidos, de terpenoides, de azufre, carbono y nitrógeno. Resultados que podría indicar que complementan vías metabólicas de sus hospederos celulares. Además, un análisis de las presiones selectivas sobre los genes auxiliares del metabolismo mostró que estos evolucionan bajo selección natural purificadora, lo que indica que están conservados y podrían ser relevantes para la adecuación de su hospedero en los ambientes extremos.

ABSTRACT Viruses are ubiquitous biological entities with the ability to infect bacteria, archaea, and eukaryotes. Viruses, like their hosts, can be distributed in a variety of environments, including extremes. Within these types of ecosystems, an extremophilic organism functions as a host for viruses for their replication, suggesting that viruses contribute to the balance of the population dynamics of their hosts. To date there is information on the microbial ecology of the Extremophilic microorganisms, however, little is known about their viral co-symbionts. The present work responds to this lack of knowledge, analyzing the structure of viral communities, in order to determine the role of viruses in these environments. In addition, the functional role of viruses and their hosts was evaluated. Initially, the state of the art of viral metagenomics is presented, from the taking of samples, their processing in the laboratory to the bioinformatic analysis, making it clear that there is a lack of generalized standards that allow comparisons between different studies and evaluate possible biases in the data. Subsequently, the general and functional structure of viromes and metagenomes was evaluated in three extremophilic aquatic environments: deep hydrothermal vents, intermediate salinity aquatic systems and a circumneutral thermophilic aquatic system; each with different physicochemical characteristics representing a sample from extreme environments. The structural metagenomics analysis revealed that bacteriophages of the orders Caudovirales and Nucleocytoviricota predominate in these three environments, showing that they are ubiquitous in these ecosystems; however, there is stratification of the virome within hydrothermal vents. Particularly in the sediments of hydrothermal vents, and in hypersaline and thermophilic environments, there are viruses characteristic of the environment such as Microviridae, Hapunaviruses and Herelleviridae respectively. The results of the metagenomic assembly showed that double-stranded DNA viruses, bacteriophages from bacteria and archaea, are predominant over single-stranded DNA viruses. Furthermore, complete viral genomes corresponding to the genus Hapunaviruses were recovered in hypersaline environments. Analysis of the functional metagenome revealed that the most abundant virus proteins correspond to sequences with the virion structure, in addition to those involved in DNA replication, transcription and repair processes. Additionally, viral genes auxiliary to metabolism were recovered, which are involved in the metabolism of carbohydrates, amino acids, terpenoids, sulfur, carbon and nitrogen. Results that could indicate that they complement metabolic pathways of their cellular hosts. Furthermore, an analysis of the selective pressures on the genes ancillary to metabolism showed that they evolve under purifying natural selection, indicating that they are conserved and could be relevant for the adequacy of their host in extreme environments.