Эти фаги – сокращение от бактериофагов, называемых так потому, что они «поедают» бактерии – имеют размер и сложность, которые считаются типичными для жизни, несут многочисленные гены, обычно присутствующие в бактериях, и используют эти гены против своих бактериальных хозяев.
Калифорнийский университет в Беркли, исследователи и их сотрудники обнаружили эти огромные фаги, изучив большую базу данных ДНК, которую они сгенерировали из почти 30 различных сред Земли, от кишок недоношенных младенцев и беременных женщин до тибетских горячих источников, южноафриканских биореактор, больничные палаты, океаны, озера и глубоко под землей.
В общей сложности они идентифицировали 351 различный огромный фаг, все с геномами в четыре или более раз больше, чем средние геномы вирусов, которые охотятся на одноклеточные бактерии.
Среди них самый крупный бактериофаг, обнаруженный на сегодняшний день: его геном, состоящий из 735000 пар оснований, почти в 15 раз больше, чем у среднего фага. Геном этого крупнейшего известного фага намного больше, чем геномы многих бактерий.
"Мы изучаем микробиомы Земли, и иногда возникают неожиданные вещи. Эти вирусы бактерий являются частью биологии, реплицирующихся сущностей, о которых мы очень мало знаем », – сказала Джилл Бэнфилд, профессор Земли и планетологии Калифорнийского университета в Беркли, а также науки об окружающей среде, политике и менеджменте и старший автор статьи. о результатах, опубликованных 12 февраля в журнале Nature. «Эти огромные фаги закрывают разрыв между неживыми бактериофагами, с одной стороны, и бактериями и археями.
Определенно, существуют успешные стратегии существования, которые представляют собой гибриды между тем, что мы считаем традиционными вирусами, и традиционными живыми организмами."
По иронии судьбы, внутри ДНК, которую тащат эти огромные фаги, есть части системы CRISPR, которую бактерии используют для борьбы с вирусами. Вполне вероятно, что как только эти фаги вводят свою ДНК в бактерии, вирусная система CRISPR дополняет систему CRISPR бактерий-хозяев, вероятно, в основном для нацеливания на другие вирусы.
«Удивительно, как эти фаги перепрофилировали эту систему, которую мы считали бактериальной или архейной, чтобы использовать ее в собственных интересах против своих конкурентов, для разжигания войны между этими вирусами», – сказал аспирант Калифорнийского университета в Беркли Басем Аль-Шайеб.
Аль-Шайеб и научный сотрудник Рохан Сачдева являются соавторами статьи о природе.
Новый протеин Cas
Один из огромных фагов также может создавать белок, аналогичный белку Cas9, который является частью революционного инструмента CRISPR-Cas9, который Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли и ее европейская коллега Эммануэль Шарпантье адаптировали для редактирования генов.
Команда назвала этот крошечный протеин CasΦ, потому что греческая буква Φ, или фи, традиционно использовался для обозначения бактериофага.
«В этих огромных фагах есть большой потенциал для поиска новых инструментов для геномной инженерии», – сказала Сачдева. «Многие из обнаруженных нами генов неизвестны, они не имеют предполагаемой функции и могут быть источником новых белков для промышленного, медицинского или сельскохозяйственного применения."
Помимо предоставления нового понимания постоянной войны между фагами и бактериями, новые результаты также имеют значение для болезней человека.
Вирусы, как правило, переносят гены между клетками, включая гены, которые придают устойчивость к антибиотикам. А поскольку фаги встречаются везде, где живут бактерии и археи, включая микробиом кишечника человека, они могут переносить повреждающие гены в бактерии, которые колонизируют людей.
«Некоторые заболевания косвенно вызываются фагами, потому что фаги перемещаются вокруг генов, участвующих в патогенезе и устойчивости к антибиотикам», – сказал Банфилд, который также является директором микробных исследований в Innovative Genomics Institute (IGI) и исследователем CZ Biohub. "И чем крупнее геном, тем больше у вас возможностей для перемещения таких генов и тем выше вероятность того, что вы сможете доставить нежелательные гены бактериям в микробиомах человека."
Секвенирование биомов Земли
Более 15 лет Банфилд изучает разнообразие бактерий, архей, которые, по ее словам, являются очаровательными родственниками бактерий, и фагов в различных средах по всей планете. Она делает это, секвенируя всю ДНК в образце, а затем собирая фрагменты вместе, чтобы собрать черновые геномы или, в некоторых случаях, полностью курируемые геномы никогда ранее не встречавшихся микробов.
В процессе она обнаружила, что многие из новых микробов имеют чрезвычайно крошечные геномы, кажущиеся недостаточными для поддержания независимой жизни. Вместо этого они, похоже, зависят от других бактерий и архей, чтобы выжить.
Год назад она сообщила, что некоторые из крупнейших фагов, группа, которую она назвала фагами Лак, можно найти в наших кишечниках и ротовой полости, где они охотятся на микробиомы кишечника и слюны.
Новая статья в Nature стала результатом более тщательного поиска огромных фагов во всех метагеномных последовательностях, накопленных Бэнфилдом, а также новых метагеномов, предоставленных научными сотрудниками со всего мира. Метагеномы произошли от павианов, свиней, лосей с Аляски, образцов почвы, океанов, рек, озер и грунтовых вод, а также от жителей Бангладеш, которые пили воду, загрязненную мышьяком.
Команда определила 351 геном фага длиной более 200 килобайт, что в четыре раза превышает среднюю длину генома фага в 50 килобайт (kb).
Им удалось установить точную длину 175 геномов фага; другие могут быть намного больше 200 кб. Один из полных геномов длиной 735 000 пар оснований в настоящее время является крупнейшим известным геномом фага.
В то время как большинство генов в этих огромных фагах кодируют неизвестные белки, исследователи смогли идентифицировать гены, которые кодируют белки, важные для механизма, называемого рибосомой, которая переводит информационную РНК в белок. Такие гены обычно не обнаруживаются у вирусов, только у бактерий или архей.
Исследователи обнаружили множество генов, передающих РНК, которые переносят аминокислоты в рибосому для включения в новые белки; гены белков, которые загружают и регулируют тРНК; гены белков, которые включают трансляцию, и даже части самой рибосомы.
«Как правило, то, что отличает жизнь от неживого, – это наличие рибосом и способность выполнять трансляцию; это одна из основных определяющих характеристик, разделяющих вирусы и бактерии, неживое и живое», – сказала Сачдева. "У некоторых крупных фагов много этого механизма трансляции, поэтому они немного стирают черту."
Огромные фаги, вероятно, используют эти гены для перенаправления рибосом на создание большего количества копий собственных белков за счет бактериальных белков.
Некоторые огромные фаги также имеют альтернативные генетические коды, тройки нуклеиновых кислот, которые кодируют определенную аминокислоту, что может сбить с толку бактериальную рибосому, декодирующую РНК.
Кроме того, некоторые из недавно открытых огромных фагов несут гены вариантов белков Cas, обнаруженных в различных бактериальных системах CRISPR, таких как семейства Cas9, Cas12, CasX и CasY. CasΦ вариант семейства Cas12. Некоторые из огромных фагов также имеют массивы CRISPR, которые представляют собой области бактериального генома, где фрагменты вирусной ДНК хранятся для дальнейшего использования, что позволяет бактериям распознавать возвращающиеся фаги и мобилизовать свои белки Cas для нацеливания и разрезания их.
«Общий вывод состоит в том, что фаги с большими геномами довольно широко распространены в экосистемах Земли, они не являются особенностью одной экосистемы», – сказал Бэнфилд. "И фаги с большими геномами связаны между собой, что означает, что это установленные линии с долгой историей большого размера генома. Наличие больших геномов – одна из успешных стратегий существования, о которой мы очень мало знаем."
Исследователи разделили 351 мегафаг на 10 новых групп, или клад, названных в честь слов, означающих «большой» на языках соавторов статьи: Mahaphage (санскрит), Kabirphage, Dakhmphage и Jabbarphage (арабский язык); Kyodaiphage (японский); Biggiephage (австралийский), Whopperphage (американский); Judaphage (китайский), Enormephage (французский); и кемпефаг (датский).
Работа Калифорнийского университета в Беркли была в первую очередь поддержана Инновационным институтом геномики (IGI) и Национальными институтами здравоохранения.
Из 45 соавторов 35 внесли свой вклад в исследование, будучи аффилированными с Калифорнийским университетом в Беркли: Банфилд, Аль-Шайеб, Сачдева, Линь-Син Чен, Фред Уорд, Одра Девото, Синди Кастель, Мэтью Олм, Кит Баума-Грегсон, Кристин Хе. , Рафаэль Мехеуст, Брэндон Брукс, Алекс Томас, Ади Лави, Паула Матеус-Карневали, Дженнифер Дудна, Эллисон Шаррар, Александр Джаффе, Роуз Кантор, Рэй Керен, Кэтрин Лейн, Ибрагим Фараг, Шуфей Лей, Кари Финстад, Рональд Амундсон, Картик Анантса , Александр Пробст, Мэри Пауэр и Джейми Кейт.