Nyoppdagede store fag utvisker grensen mellom liv og skade

En ny studie publisert i tidsskriftet Natur viser at det er bokstavelig talt hundrevis av virus som er store nok til å konsumere bakterier, og med egenskaper som er typiske for en levende organisme i stedet for ikke-levende selvreplikerende pakker med DNA/RNA som virus ofte antas å være.

Disse virusene kalles bakteriofager - bokstavelig talt, etere av bakterier - og fag for kort. Mens fagene har eksistert lenge, disse nye fagene er oppsiktsvekkende når det gjelder størrelse og biologisk komplekse systemer. Mange av genene deres finnes vanligvis i bakterier og brukes til å angripe vertsbakteriene.

Prosessen

Hvor fant forskerne disse sjeldne store fagene? De porer over en enorm database med DNA -sekvenser hentet fra et bredt og mangfoldig spekter av miljøer på jorden. Disse nesten 30 mikrobiomene spenner over spekteret fra en varm kilde i Tibet, gjennom bioreaktorer i Sør -Afrika, til tarmen til en kvinne som bar en baby i livmoren. Andre steder inkluderer underjordiske hull, hav, innsjøer, og tarmen til en prematur baby.

Forsker Jill Banfield har gjort dette i over et og et halvt tiår. Hun regner ut sekvensene til alle DNA -bitene i en prøve hun får fra et sted på jorden. Hun passer deretter puslespillbrikkene sammen for å få den genomiske sekvensen.

I de fleste tilfeller, hun får et utkast til genomet, men noen få er bekreftet å være genomene til helt nye mikrober. Noen av disse mikrober er regulert av små genomer som, faktisk, synes ute av stand til å opprettholde livet uavhengig, og i stedet er helt avhengig av andre livsformer, nemlig, archaea og bakterier.

Store genomfager

Det var et år siden at hun rapporterte funnet av store fag, som hun kalte Lak -fager, i menneskets tarm og munn. Disse fagene spiser bakterier i spytt og tarm.

I det nye papiret, hun rapporterer isolering av over 350 veldig store fager med genomer som er, i lengder på 200, 000 baser, fire ganger større enn den gjennomsnittlige genetiske sekvensen til en bakteriofag som er kjent så langt (50 kb). Banfield kommentarer, "Vi utforsker Jordens mikrobiomer, og noen ganger dukker det opp uventede ting. "

Den største sekvenserte så langt har et genom som strekker seg over en forbløffende 735, 000 basepar, som er omtrent 15 ganger størrelsen på det gjennomsnittlige faggenomet, og faktisk, markant større enn mange bakterielle genomer. Men det kan fortsatt være større siden de bare har sekvensert 175 av disse store fagene til nå.

Skildring av store fag (rød, til venstre) og normale fager som infiserer en bakteriecelle. Den enorme fagen injiserer sitt DNA i vertscellen, der Cas -proteiner - en del av CRISPR -immunsystemet som vanligvis bare finnes i bakterier og archaea - manipulerer vertscellens respons på andre virus. UC Berkeley -teamet har ennå ikke fotografert noen store fag, så alle er avbildet som ligner den vanligste fagetypen, T4. Bildekreditt:UC Berkeley -bilde av Jill Banfield lab

Et babb av fag

Disse store fagene ble klassifisert i ti klader eller grupper. Hver har fått navnet "Big fag", men bruker forskjellige språk, eller forskjellige ord på samme språk. Språkene er forskernes opprinnelsesland. Dermed er det en Mahaphage -klade, en Biggiephage, en Judaphage, en Kaempephage, en Dakhmphage, en Jabbarphage og en Kabirphage, så vel som en Enormephage, Whopperphage, og Kyodaiphage -klade - på sanskrit, Australsk engelsk, Kinesisk, Dansk, Arabisk (de tre neste), Fransk, Amerikansk engelsk, og japansk!

Bakterievåpen i virus?

Bakteriegenene i disse fagene inneholder noen CRISPR -elementer, genredigeringsproteinkodende segmenter, som brukes av bakterier for å motstå virusangrep. Forskerne tror at disse elementene er ment å bli en del av vertens CRISPR -system, gir bakteriene makt til å motstå andre virus slik at disse store fagene kan nyte måltidet deres uavbrutt. En annen forsker, Basem Al-Shayeb, forklarer at disse fagene bruker dette systemet til egen fordel, "for å drive krig mellom disse virusene."

Et annet fascinerende element i en av disse nye fagene er et protein som spiller samme rolle som Cas-9-proteinet, en integrert del av det mye brukte CRISPR-Cas9 genredigeringsverktøyet som først ble introdusert av Doudna og Charpentier. Dette nye proteinet har blitt kalt CasØ - bokstaven Ø, eller phi (på gresk), er symbolet for en fag. Dette er en del av Cas-12-familien, men disse fagene har også andre bakterielle CRISPR-elementer som Cas-9, Cas-X, og Cas-Y proteiner.

Noen av disse fagene har også veldig store CRISPR -matriser. Dette refererer til tilstedeværelsen av matriser sammensatt av virale DNA -fragmenter, minnearrays som tillater rask gjenkjenning av et gjentatt angrep av noen av disse virusene. Dette, i sin tur, utløser umiddelbare Cas -reaksjoner, muliggjøre spesifikk målretting av disse virusene.

Liv eller ikke-liv?

Et annet oppsiktsvekkende funn var forekomsten av gener som koder for ribosomale proteiner. Ribosomet er celleorganellen som leser mRNA og bruker det til å lage spesifikke proteiner. Dette er blant de første forekomstene av ribosomale gener i virus.

De fant også gener som koder for overføring av RNA, som er molekylene som fanger opp de riktige aminosyrene som skal inkorporeres i proteinsekvensen. Det er regulatoriske gener for tRNA, gener for å slå på proteinsynteseprosessen, og til og med noen få ribosomale segmenter. Disse genene finnes bare i livsformer siden de har å gjøre med produksjon av proteinkomponenter - noe som er ulikt det andre virus kan gjøre, og som er en evne som staver liv.

Etterforsker Rohan Sachdeva sier at dette er "en av de viktigste definerende funksjonene som skiller virus og bakterier, ikke-liv og liv. "Han kaller dette" å gjøre linjen litt uskarp. "

Hvorfor er disse genene der? Forskerne tror de kan brukes til å kapre ribosomene for å begynne å replikere virale i stedet for å være vert for bakterielle proteiner. Et tilleggsfunn er tilstedeværelsen av alternative genetiske koder, eller bruk av mer enn én genetisk kode for å betegne den samme aminosyren. Denne funksjonen kan godt kaste det bakterielle ribosomet av sporet og lure det til å dekode viralt RNA i stedet for vertens eget RNA.

Implikasjoner

Oppdagelsen av nye verktøy som brukes i kampen mellom bakterier og virus gir mange muligheter for å finne nye genredigeringsverktøy. Mange av de nye genene gjenstår å utforske for deres funksjoner, og det kan godt være at disse nye proteinene vil være nyttige i forskjellige applikasjoner i industrien, medisinsk vitenskap, eller i landbruket.

Det er farer, også. Virus overfører gener fra en bakterie til en annen - noen av dem kan være ansvarlige for antibiotikaresistens eller for virulens (evnen til å forårsake sykdom). Denne egenskapen til de nylig oppdagede fagene kan bety at det er fare for å overføre noen av disse skadelige genene til det menneskelige mikrobiomet siden fager forekommer sammen med bakterier.

Siden antall gener båret av disse store fagene er markant høyere enn vanlige fager, de har en større evne til å bevege seg rundt gener som kan skade andre celler. På sin side, dette øker risikoen for at noen av disse genene blir ervervet av gener i det menneskelige miljøet.

Konklusjon

Til sammen, forskerne er fascinert av tilstedeværelsen av fag med store genomer i en rekke mikrobiomer over hele jorden. Forholdet mellom disse store fagene tolkes som at de kommer fra en gammel familie av store genomvirus.

Sier Banfield, "Å ha store genomer er en vellykket strategi for eksistens. Disse virusene av bakterier er en del av biologien, av replikerende enheter, som vi vet veldig lite om. "

Sant nok. Disse fagene har en størrelse som gjør at de passer et sted i gapet mellom archaea (de tidligste slektningene til bakterier), og vanlige fager som ser ut som ikke-levende ting. Banfield beskriver dem som "vellykkede eksistensstrategier som er hybrider mellom det vi tenker på som tradisjonelle virus og tradisjonelle levende organismer."

• Uvanlig stor,
• Mikrobiom i dermis hudlag er det samme uavhengig av alder og kjønn