I grandi fagi appena scoperti offuscano il confine tra vita e non vita

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Natura mostra che ci sono letteralmente centinaia di virus abbastanza grandi da consumare batteri, e con proprietà tipiche di un organismo vivente piuttosto che i pacchetti di DNA/RNA non viventi autoreplicanti che spesso si presume siano i virus.

Questi virus sono chiamati batteriofagi – letteralmente, mangiatori di batteri – e fagi in breve. Mentre i fagi esistono da molto tempo, questi nuovi fagi sono sorprendenti in termini di dimensioni e sistemi biologicamente complessi. Molti dei loro geni si trovano solitamente nei batteri e vengono utilizzati per attaccare i batteri ospiti.

Il processo

Dove hanno trovato gli scienziati questi rari fagi enormi? Hanno studiato un vasto database di sequenze di DNA ottenute da una vasta e diversificata gamma di ambienti sulla terra. Questi quasi 30 microbiomi hanno attraversato lo spettro di una sorgente termale in Tibet, attraverso i bioreattori in Sud Africa, all'intestino di una donna che porta in grembo un bambino. Altre posizioni includono buchi sotterranei, oceani, laghi, e l'intestino di un bambino prematuro.

La ricercatrice Jill Banfield lo fa da oltre un decennio e mezzo. Elabora le sequenze di tutti i bit di DNA in ogni campione che ottiene da un luogo sulla terra. Quindi mette insieme i pezzi del puzzle per ottenere la sequenza genomica.

Nella maggior parte dei casi, ottiene una bozza del genoma, ma alcuni sono stati confermati essere i genomi di microbi completamente nuovi. Alcuni di questi microbi sono regolati da minuscoli genomi che, infatti, sembrano incapaci di sostenere la vita in modo indipendente, e invece dipendono interamente da altre forme di vita, vale a dire, archaea e batteri.

Fagi a genoma grande

È stato un anno fa che ha riferito del ritrovamento di grandi fagi, che lei soprannominò Lak phages, nell'intestino e nella bocca umani. Questi fagi mangiano i batteri nella saliva e nell'intestino.

Nel nuovo giornale, riporta l'isolamento di oltre 350 fagi molto grandi con genomi che sono, a lunghezze di 200, 000 basi, quattro volte più grande della sequenza genetica media di qualsiasi batteriofago finora conosciuto (50 kb). commenti di Banfield, "Stiamo esplorando i microbiomi della Terra, e a volte accadono cose inaspettate."

Il più grande sequenziato finora ha un genoma che abbraccia un sorprendente 735, 000 paia di basi, che è circa 15 volte la dimensione del genoma fagico medio, e infatti, notevolmente più grande di molti genomi batterici. Ma potrebbero essere ancora più grandi poiché finora hanno sequenziato solo 175 di questi grandi fagi.

Raffigurazione di enormi fagi (rosso, a sinistra) e fagi normali che infettano una cellula batterica. L'enorme fago inietta il suo DNA nella cellula ospite, dove le proteine ​​Cas - parte del sistema immunitario CRISPR che si trova tipicamente solo nei batteri e negli archei - manipolano la risposta della cellula ospite ad altri virus. Il team dell'UC Berkeley non ha ancora fotografato nessun enorme fago, quindi tutti sono raffigurati come il tipo più comune di fago, T4. Immagine di credito:UC Berkeley immagine per gentile concessione di Jill Banfield lab

Un mormorio di fagi

Questi grandi fagi sono stati classificati in dieci cladi o gruppi. Ciascuno è stato chiamato "Grande fago" pur utilizzando linguaggi diversi, o parole diverse nella stessa lingua. Le lingue sono quelle del paese di origine dei ricercatori. Quindi c'è un clade Mahaphage, un biggiefago, un Giudafago, un Kaempephage, un Dakhmphage, un Jabbarfago e un Kabirfago, così come un enormefago, Whopperfago, e clade Kyodaiphage – in sanscrito, inglese australiano, Cinese, Danese, arabo (i prossimi tre), Francese, Inglese americano, e giapponese!

Armi batteriche all'interno dei virus?

I geni batterici all'interno di questi fagi contengono alcuni elementi CRISPR, segmenti codificanti proteine ​​modificanti geniche, utilizzati dai batteri per resistere all'attacco virale. Gli scienziati pensano che questi elementi siano destinati a diventare parte del sistema CRISPR dell'ospite, consentendo ai batteri di resistere ad altri virus in modo che questi grandi fagi possano godersi il pasto senza interruzioni. Un altro ricercatore, Basem Al-Shayeb, spiega che questi fagi usano questo sistema a proprio vantaggio, "per alimentare la guerra tra questi virus".

Un altro elemento affascinante in uno di questi nuovi fagi è una proteina che svolge lo stesso ruolo della proteina Cas-9, parte integrante dello strumento di modifica genetica CRISPR-Cas9 ampiamente utilizzato introdotto per la prima volta da Doudna e Charpentier. Questa nuova proteina è stata chiamata CasØ – la lettera Ø, o phi (in greco), è il simbolo di un fago. Questo fa parte della famiglia Cas-12, ma questi fagi hanno anche altri elementi CRISPR batterici come Cas-9, Cas-X, e proteine ​​Cas-Y.

Alcuni di questi fagi hanno anche array CRISPR molto grandi. Ciò si riferisce alla presenza di array composti da frammenti di DNA virale, array di memoria che consentono il rapido riconoscimento di un attacco ripetuto da uno di questi virus. Questo, a sua volta, innesca reazioni Cas istantanee, consentendo il targeting specifico di questi virus.

Vita o non vita?

Un'altra scoperta sorprendente è stata la presenza di geni che codificano per proteine ​​ribosomiali. Il ribosoma è l'organello cellulare che legge l'mRNA e lo utilizza per produrre proteine ​​specifiche. Questa è tra le prime occorrenze di geni ribosomiali nei virus.

Hanno anche trovato geni che codificano per RNA di trasferimento, quali sono le molecole che raccolgono i giusti amminoacidi da incorporare nella sequenza proteica. Esistono geni regolatori per i tRNA, geni per attivare il processo di sintesi proteica, e anche alcuni segmenti ribosomiali. Questi geni si trovano solo nelle forme di vita poiché hanno a che fare con la produzione di componenti proteici, il che è diverso da quello che può fare qualsiasi altro virus, e che è una capacità che incanta la vita.

L'investigatore Rohan Sachdeva afferma che questa è "una delle principali caratteristiche distintive che separano virus e batteri, non-vita e vita." Egli chiama questo "sfocare un po' la linea".

Perché questi geni sono lì? I ricercatori pensano che potrebbero essere usati per dirottare i ribosomi per iniziare a replicare le proteine ​​virali piuttosto che ospitare le proteine ​​batteriche. Un'ulteriore scoperta è la presenza di codici genetici alternativi, o l'uso di più di un codice genetico per denotare lo stesso amminoacido. Questa caratteristica potrebbe mandare fuori strada il ribosoma batterico e ingannarlo nel decodificare l'RNA virale piuttosto che l'RNA dell'ospite.

Implicazioni

La scoperta di nuovi strumenti utilizzati nella lotta tra batteri e virus offre molte possibilità per trovare nuovi strumenti di modifica genetica. Molti dei nuovi geni sono ancora da esplorare per le loro funzioni, e potrebbe benissimo essere che queste nuove proteine ​​saranno utili in varie applicazioni nell'industria, le scienze mediche, o in agricoltura.

Ci sono pericoli, pure. I virus trasferiscono geni da un batterio a un altro, alcuni dei quali potrebbero essere responsabili della resistenza agli antibiotici o della virulenza (la capacità di causare malattie). Questa proprietà dei fagi appena scoperti potrebbe significare che esiste il rischio di trasferire alcuni di questi geni dannosi nel microbioma umano poiché i fagi si verificano insieme ai batteri.

Poiché il numero di geni trasportati da questi grandi fagi è nettamente superiore a quello dei normali fagi, hanno una maggiore capacità di muoversi attorno ai geni che possono danneggiare altre cellule. A sua volta, ciò aumenta il rischio che alcuni di questi geni vengano acquisiti da geni nell'ambiente umano.

Conclusione

Del tutto, i ricercatori sono affascinati dalla presenza di fagi con enormi genomi in una varietà di microbiomi in tutta la terra. La relazione tra questi grandi fagi è interpretata nel senso che provengono da un'antica famiglia di virus a genoma grande.

Dice Banfield, "Avere grandi genomi è una strategia di successo per l'esistenza. Questi virus di batteri fanno parte della biologia, di entità replicanti, di cui sappiamo molto poco».

Abbastanza vero. Questi fagi hanno una dimensione che li fa stare da qualche parte nello spazio tra gli archaea (i primi parenti dei batteri), e fagi ordinari che sembrano cose non viventi. Banfield li descrive come "strategie di esistenza di successo che sono ibridi tra ciò che pensiamo come virus tradizionali e organismi viventi tradizionali".

• Insolitamente grande,
• Il microbioma nello strato cutaneo del derma è lo stesso indipendentemente dall'età e dal sesso