Недавно обнаруженные крупные фаги стирают границу между жизнью и неживой

Новое исследование, опубликованное в журнале Природа показывает, что существуют буквально сотни вирусов, достаточно больших, чтобы поглощать бактерии, и со свойствами, которые типичны для живого организма, а не для неживых самовоспроизводящихся пакетов ДНК / РНК, которыми часто предполагаются вирусы.

Эти вирусы называются бактериофагами - буквально, пожиратели бактерий - и для краткости фаги. Хотя фаги существуют уже давно, эти новые фаги поражают своими размерами и биологически сложными системами. Многие из их генов обычно находятся в бактериях и используются для атаки бактерий-хозяев.

Процесс

Где ученые нашли эти редкие огромные фаги? Они изучили обширную базу данных последовательностей ДНК, полученных из самых разных сред на Земле. Эти почти 30 микробиомов охватывают спектр от горячих источников в Тибете, через биореакторы в Южной Африке, в кишечник женщины, вынашивающей ребенка в утробе. Другие места включают подземные ямы, океаны озера и кишечник недоношенного ребенка.

Исследователь Джилл Бэнфилд занимается этим уже более полутора десятилетий. Она определяет последовательности всех битов ДНК в любом образце, который она получает из любого места на Земле. Затем она складывает кусочки головоломки вместе, чтобы получить геномную последовательность.

В большинстве случаев, она получает черновик генома, но было подтверждено, что некоторые из них являются геномами совершенно новых микробов. Некоторые из этих микробов регулируются крошечными геномами, которые, действительно, кажутся неспособными самостоятельно поддерживать жизнь, и вместо этого полностью зависят от других форм жизни, а именно, археи и бактерии.

Фаги с большим геномом

Год назад она сообщила об обнаружении крупных фагов, которые она назвала лакскими фагами, в кишечнике и во рту человека. Эти фаги поедают бактерии в слюне и кишечнике.

В новой газете она сообщает о выделении более 350 очень крупных фагов с геномами, которые, при длине 200, 000 баз, в четыре раза больше, чем средняя генетическая последовательность любого известного до сих пор бактериофага (50 т.п.н.). Комментарии Банфилда, "Мы изучаем микробиомы Земли, а иногда случаются неожиданные вещи ".

На сегодняшний день самый крупный секвенированный геном насчитывает 735 геномов. 000 пар оснований, что примерно в 15 раз превышает размер среднего генома фага, а на самом деле, заметно больше, чем у многих бактериальных геномов. Но может быть и больше, поскольку до сих пор они секвенировали только 175 из этих больших фагов.

Изображение огромных фагов (красный, слева) и нормальные фаги, заражающие бактериальную клетку. Огромный фаг вводит свою ДНК в клетку-хозяин, где белки Cas - часть иммунной системы CRISPR, обычно обнаруживаемая только у бактерий и архей, - манипулируют реакцией клетки-хозяина на другие вирусы. Команда Калифорнийского университета в Беркли еще не сфотографировала огромных фагов, так что все изображены похожими на самый распространенный тип фага, Т4. Кредит изображения:Калифорнийский университет в Беркли, изображение любезно предоставлено лабораторией Джилл Бэнфилд

Лепет фагов

Эти большие фаги были разделены на десять клад или групп. Каждый из них был назван «Большой фаг», хотя использует разные языки, или разные слова на одном языке. Это языки страны происхождения исследователей. Таким образом, существует клада махафагов, Biggiephage, иудафаг кемпефаг, дахмфаг, Джаббарфаг и Кабирфаг, а также энормефаг, Whopperphage, и клады Kyodaiphage - на санскрите, Австралийский английский, Китайский язык, Датский, Арабский (следующие три), Французкий язык, Американский английский, и японец!

Бактериальное оружие в вирусах?

Бактериальные гены этих фагов содержат некоторые элементы CRISPR, сегменты, кодирующие белок, редактирующий ген, которые используются бактериями для противодействия вирусной атаке. Ученые считают, что эти элементы должны стать частью системы CRISPR хоста, предоставление бактериям возможности противостоять другим вирусам, чтобы эти крупные фаги могли наслаждаться едой без перерыва. Другой исследователь, Басем Аль-Шайеб, объясняет, что эти фаги используют эту систему для собственной выгоды, «для разжигания войны между этими вирусами».

Еще одним интересным элементом одного из этих новых фагов является белок, который играет ту же роль, что и белок Cas-9, неотъемлемая часть широко используемого инструмента редактирования генов CRISPR-Cas9, впервые представленного Дудной и Шарпантье. Этот новый белок получил название CasØ - буква Ø, или фи (по-гречески), это символ фага. Это часть семейства Cas-12, но эти фаги также имеют другие бактериальные элементы CRISPR, такие как Cas-9, Cas-X, и белки Cas-Y.

Некоторые из этих фагов также имеют очень большие массивы CRISPR. Это относится к наличию массивов, состоящих из фрагментов вирусной ДНК, массивы памяти, которые позволяют быстро распознавать повторную атаку любого из этих вирусов. Этот, по очереди, вызывает мгновенные реакции Cas, включение специального нацеливания этих вирусов.

Жизнь или не-жизнь?

Еще одним поразительным открытием стало появление генов, кодирующих рибосомные белки. Рибосома - это клеточная органелла, которая считывает мРНК и использует ее для производства определенных белков. Это одно из первых случаев появления рибосомных генов в вирусах.

Они также обнаружили гены, кодирующие РНК переноса, которые представляют собой молекулы, которые собирают правильные аминокислоты для включения в последовательность белка. Есть регуляторные гены для тРНК, гены для включения процесса синтеза белка, и даже несколько рибосомных сегментов. Эти гены встречаются только у форм жизни, поскольку они связаны с производством белковых компонентов, что не похоже на то, что может делать любой другой вирус. и это способность, которая заключает в себе жизнь.

Исследователь Рохан Сачдева говорит, что это «одна из основных определяющих черт, разделяющих вирусы и бактерии, не-жизнь и жизнь ». Он называет это« небольшим стиранием черты ».

Почему там эти гены? Исследователи думают, что их можно использовать для захвата рибосом, чтобы начать репликацию вирусных, а не бактериальных белков хозяина. Дополнительным открытием является наличие альтернативных генетических кодов, или использование более одного генетического кода для обозначения одной и той же аминокислоты. Эта особенность может сбить с пути бактериальную рибосому и заставить ее декодировать вирусную РНК, а не собственную РНК хозяина.

Подразумеваемое

Открытие новых инструментов, используемых в борьбе между бактериями и вирусами, открывает множество возможностей для поиска новых инструментов редактирования генов. Функции многих новых генов еще предстоит изучить. и вполне возможно, что эти новые белки будут полезны в различных применениях в промышленности, медицинские науки, или в сельском хозяйстве.

Есть опасности, тоже. Вирусы передают гены от одной бактерии к другой, некоторые из которых могут быть ответственны за устойчивость к антибиотикам или за вирулентность (способность вызывать заболевание). Это свойство недавно обнаруженных фагов может означать, что существует риск переноса некоторых из этих вредных генов в микробиом человека, поскольку фаги встречаются вместе с бактериями.

Поскольку количество генов, переносимых этими большими фагами, заметно выше, чем у обычных фагов, они обладают большей способностью перемещать гены, которые могут повредить другие клетки. По очереди, это увеличивает риск того, что некоторые из этих генов будут переданы генам в окружающей человека среде.

Заключение

В целом, исследователи очарованы присутствием фагов с огромными геномами в различных микробиомах по всей Земле. Взаимосвязь между этими большими фагами интерпретируется как то, что они происходят из древнего семейства вирусов с большим геномом.

Говорит Банфилд, "Наличие больших геномов - одна из успешных стратегий существования. Эти вирусы бактерий являются частью биологии, реплицирующих сущностей, о которых мы знаем очень мало ".

Достаточно верно. Эти фаги имеют размер, который позволяет им поместиться где-то в промежутке между археями (самыми ранними родственниками бактерий), и обычные фаги, похожие на неживые. Банфилд описывает их как «успешные стратегии существования, представляющие собой гибриды между тем, что мы считаем традиционными вирусами и традиционными живыми организмами».

• Необычно большой,
• Микробиом в кожном слое дермы одинаков независимо от возраста и пола.