Viruses comprise a group of biological entities that are physically small (most viruses range in size between 20–200 times a millionth part of a millimeter) but very diverse both in terms of appearance and reproductive cycles. Because viruses do not take up food or nutrients for growth and energy production, they do not represent organisms in a strict sense as opposed to, say, fish or algae. Instead, all viruses need a host to reproduce. Although viruses can infect every group of organisms on our planet, individual viruses often have evolved only to infect particular host species.
However, before viruses can reproduce, they first need to find that host. Although a seemingly trivial process, viruses need to cope with the complication of being incapable of directed locomotion, i.e., viruses cannot swim toward their host organism. Instead, they must rely on chance for that key meeting. The chance that an individuum of a specific virus population meets its proper host organism in time before it decays increases when there are more host species. For example, this density-dependence of the viral infection event is the reason why many countries around the globe have imposed temporally-limited lockdowns to try and control the Covid pandemic in recent years.
Thus, high numbers of host organisms will allow many viruses to infect these hosts. Organisms without a true nucleus harboring the genetic material, i.e., microbes referred to as Bacteria and Archaea, are numerically the most abundant potential viral host organisms in the sea. Due to the density-dependence of viral infection, viruses infecting these microbes are the largest group of viruses found in the ocean ranging in abundance from up to 10 million per milliliter at the surface to around 100,000 per milliliter in the deep.
The consequence of successful viral infection for microbes often is death and the release of tens to hundreds of progeny viruses per host cell. It is important to consider that many viruses have evolved a high degree of specificity concerning the host species. Thus, a group of viruses might only be able to infect a small number of host organisms belonging to a specific species out of the large number of microbes found in a milliliter of seawater.
Because numerically abundant host species will be infected more frequently as compared to rarer hosts, the numbers of initially dominant hosts will decline selectively, while rarer hosts might be able to increase in numbers. In theory, viral infection can be referred to as a negative frequency-dependent selection, where selective viral infection might keep dominant host species in check.
In reality, every milliliter of seawater might contain hundreds to thousands of different microbial host species, each one, in turn, being infected by a range of different virus types. To further illustrate the complexity of understanding virus-host relationships, let me add that many microbes also have evolved resistance mechanisms to specific viruses; some viruses may only successfully infect a host organism when another helper virus is already present in that host, or that some viruses have a “choice” between killing their host or forming a symbiotic relationship with the host for prolonged periods. Many more phenomena are known that modify virus-host relationships, adding to the already daunting challenges for our understanding.
During this cruise, we will measure how many viruses replicate in water collected from active hydrothermal vents and adjacent waters. For that, we will be using a simple trick. As you already know, virus infection of host organisms is density-dependent. Thus, by substantially reducing the number of hosts or viruses, virus infection stops completely. By using advanced filtration systems, we can selectively separate viruses from their microbial hosts within a water sample and produce virus-free water from the same sample. In the next step, microbes collected by filtration are added to virus-free water from the sample and incubated at the temperature as the original water collection. We then take small samples from the incubations at regular intervals, and count microbes and viruses. Because of the dilution of viruses within the incubations, no new virus infection events can occur.
Thus, increasing numbers of viruses within the incubations can only result from viral infections that already occurred before collection. Because the water collections are from great depths, the incubations will be done under pressurized conditions in special vessels to mimic the natural conditions as closely as possible. Based on these data, it is possible to calculate how many viruses are produced over time and for a specific volume of water. It will be exciting to see whether virus production occurs in vent fluids and if it differs from the surrounding waters. Because the production of progeny viruses from microbial hosts generally results in the death of the host cells, the data are an indirect measure of death due to viral infection.
El Papel de los Virus en el Mar
Los virus constituyen un grupo de entidades biológicas físicamente pequeñas (el tamaño de la mayoría de los virus oscila entre 20 y 200 veces la millonésima parte de un milímetro) pero muy diversas tanto en apariencia como en ciclos reproductivos. Como los virus no toman alimentos ni nutrientes para crecer y producir energía, no representan organismos en sentido estricto, a diferencia de, por ejemplo, los peces o las algas. En cambio, todos los virus necesitan un huésped para reproducirse. Aunque los virus pueden infectar a todos los grupos de organismos de nuestro planeta, los virus individuales a menudo han evolucionado sólo para infectar a especies anfitrionas concretas.
Sin embargo, antes de reproducirse, los virus tienen que encontrar a su huésped. Aunque parezca un proceso trivial, los virus tienen que hacer frente a la complicación de ser incapaces de locomoción dirigida, es decir, no pueden nadar hacia su organismo anfitrión. En su lugar, deben confiar en el azar para ese encuentro clave. La probabilidad de que un individuo de una población específica de virus se encuentre con su organismo hospedador adecuado a tiempo antes de descomponerse aumenta cuando hay más especies hospedadoras. Por ejemplo, esta dependencia de la densidad del evento de infección viral es la razón por la que muchos países de todo el mundo han impuesto cierres temporalmente limitados para intentar controlar la pandemia de Covid en los últimos años.
Así, un número elevado de organismos anfitriones permitirá que muchos virus infecten a estos anfitriones. Los organismos sin un verdadero núcleo que albergue el material genético, es decir, los microbios denominados Bacterias y Archaea, son numéricamente los organismos anfitriones virales potenciales más abundantes en el mar. Debido a la dependencia de la densidad de la infección vírica, los virus que infectan a estos microbios constituyen el grupo más numeroso de virus presentes en el océano, con una abundancia que oscila entre los 10 millones por mililitro en la superficie y los 100.000 por mililitro en las profundidades.
La consecuencia de una infección viral exitosa para los microbios suele ser la muerte y la liberación de decenas a cientos de virus progenie por célula huésped. Es importante tener en cuenta que muchos virus han desarrollado un alto grado de especificidad respecto a la especie huésped. Así, es posible que un grupo de virus sólo pueda infectar a un pequeño número de organismos receptores pertenecientes a una especie específica de entre el gran número de microbios que se encuentran en un mililitro de agua de mar.
Dado que las especies anfitrionas numéricamente abundantes se infectarán con mayor frecuencia que las más raras, el número de anfitriones inicialmente dominantes disminuirá de forma selectiva, mientras que el número de hospedadores más raros podría aumentar. En teoría, la infección vírica puede considerarse una selección negativa dependiente de la frecuencia, en la que la infección vírica selectiva podría mantener a raya a las especies hospedadoras dominantes.
En realidad, cada mililitro de agua de mar puede contener entre cientos y miles de especies microbianas hospedadoras diferentes, cada una de ellas infectada a su vez por una serie de tipos de virus distintos. Para ilustrar aún más la complejidad de la comprensión de las relaciones virus-hospedador, permítanme añadir que muchos microbios también han desarrollado mecanismos de resistencia a virus específicos; algunos virus sólo pueden infectar con éxito a un organismo hospedador cuando otro virus ayudante ya está presente en ese hospedador, o que algunos virus pueden “elegir” entre matar a su hospedador o formar una relación simbiótica con él durante periodos prolongados. Se conocen muchos más fenómenos que modifican las relaciones virus-hospedador, lo que se suma a los ya de por sí enormes retos para nuestra comprensión.
Durante este crucero, mediremos cuántos virus se replican en el agua recogida en las fuentes hidrotermales activas y en las aguas adyacentes. Para ello, utilizaremos un sencillo truco. Como ya se sabe, la infección por virus de los organismos huéspedes depende de la densidad. Así, al reducir sustancialmente el número de huéspedes o virus, la infección vírica se detiene por completo. Utilizando sistemas avanzados de filtración, podemos separar selectivamente los virus de sus huéspedes microbianos dentro de una muestra de agua y producir agua libre de virus a partir de la misma muestra. En el siguiente paso, los microbios recogidos por filtración se añaden al agua libre de virus de la muestra y se incuba a la misma temperatura que la recogida original del agua. A continuación, se toman pequeñas muestras de las incubaciones a intervalos regulares y se cuentan los microbios y los virus. Debido a la dilución de los virus en las incubaciones, no pueden producirse nuevos casos de infección vírica.
Por tanto, el aumento del número de virus en las incubaciones sólo puede deberse a infecciones víricas que ya se hayan producido antes de la recogida. Dado que las aguas recogidas proceden de grandes profundidades, las incubaciones se realizarán en condiciones presurizadas en recipientes especiales para imitar lo más posible las condiciones naturales. A partir de estos datos, es posible calcular cuántos virus se producen a lo largo del tiempo y para un volumen específico de agua. Será apasionante comprobar si la producción de virus se produce en los fluidos de las fumarolas y si difiere de la de las aguas circundantes. Dado que la producción de virus progenie a partir de huéspedes microbianos suele provocar la muerte de las células huésped, los datos son una medida indirecta de la muerte debida a la infección vírica.
