Na novo odkriti veliki fagi zamegljujejo življenjsko/neživljenjsko mejo

Nova študija, objavljena v reviji Narava kaže, da obstaja dobesedno na stotine virusov, ki so dovolj veliki, da porabijo bakterije, in z lastnostmi, ki so značilne za živi organizem in ne za nežive samopodvajajoče se pakete DNA/RNA, za katere se pogosto domneva, da so virusi.

Ti virusi se dobesedno imenujejo bakteriofagi jedci bakterij - in na kratko fagi. Čeprav so fagi že dolgo prisotni, ti novi fagi so presenetljivi glede na njihovo velikost in biološko zapletene sisteme. Mnogi njihovi geni se običajno nahajajo v bakterijah in se uporabljajo za napad na gostiteljske bakterije.

Postopek

Kje so znanstveniki našli te redke velike fage? Preučili so obsežno zbirko podatkov o zaporedjih DNK, pridobljenih iz širokega in raznolikega okolja na zemlji. Teh skoraj 30 mikrobiomov je obsegalo spekter iz vrelca v Tibetu, preko bioreaktorjev v Južni Afriki, v črevesje ženske, ki nosi otroka v maternici. Druge lokacije vključujejo podzemne luknje, oceani, jezera, in črevesje nedonošenčka.

Raziskovalka Jill Banfield to počne že več kot desetletje in pol. Ustvari zaporedja vseh kosov DNK v vsakem vzorcu, ki ga dobi z lokacije na zemlji. Nato sestavi koščke sestavljanke, da dobi genomsko zaporedje.

V večini primerov, dobi osnutek genoma, vendar je bilo nekaj potrjenih kot genomi popolnoma novih mikrobov. Nekatere od teh mikrobov uravnavajo drobni genomi, ki prav zares, Zdi se, da ne morejo samostojno vzdrževati življenja, in so popolnoma odvisni od drugih oblik življenja, in sicer arheje in bakterije.

Fagi z velikim genomom

Pred enim letom je poročala o odkritju velikih fagov, ki jo je poimenovala Lak phages, v črevesju in ustih človeka. Ti fagi jedo bakterije v slini in črevesju.

V novem listu poroča o izolaciji več kot 350 zelo velikih fagov z genomi, pri dolžini 200, 000 baz, štirikrat večji od povprečnega genetskega zaporedja katerega koli doslej znanega bakteriofaga (50 kb). Banfieldovi komentarji, "Raziskujemo zemeljske mikrobiome, včasih pa se pojavijo nepričakovane stvari. "

Največje zaporedje doslej ima genom, ki obsega presenetljivih 735, 000 baznih parov, kar je približno 15 -krat večje od povprečnega fagomskega genoma, in v resnici, izrazito večji od mnogih bakterijskih genomov. Lahko pa bi bile še večje, saj so doslej sekvencirali le 175 teh velikih fagov.

Prikaz velikih fagov (rdeča, levo) in normalni fagi, ki okužijo bakterijsko celico. Ogromen fag vbrizga svojo DNK v celico gostitelja, kjer proteini Cas - del imunskega sistema CRISPR, ki ga običajno najdemo le v bakterijah in arhejah - manipulirajo z odzivom gostiteljske celice na druge viruse. Ekipa UC Berkeley še ni fotografirala velikih fagov, zato so vsi upodobljeni kot najpogostejša vrsta faga, T4. Zasluge za sliko:Podoba UC Berkeley iz laboratorija Jill Banfield

Brnenje fagov

Ti veliki fagi so bili razvrščeni v deset klad ali skupin. Vsak je bil poimenovan "veliki fag", čeprav uporablja različne jezike, ali različne besede v istem jeziku. Jeziki so tisti iz države izvora raziskovalcev. Tako obstaja klada Mahaphage, Biggiephage, judafag, Kaempephage, Dakhmphage, Jabbarphage in Kabirphage, pa tudi Enormefag, Whopperphage, in Kyodaiphage clade - v sanskrtu, Avstralska angleščina, Kitajščina, Danski, Arabščina (naslednja tri), Francoščina, Ameriška angleščina, in japonski!

Bakterijsko orožje v virusih?

Bakterijski geni znotraj teh fagov vsebujejo nekaj elementov CRISPR, segmenti, ki kodirajo beljakovine za urejanje genov, ki jih bakterije uporabljajo za preprečevanje virusnega napada. Znanstveniki menijo, da naj bi ti elementi postali del gostiteljskega sistema CRISPR, opolnomočenje bakterij, da se upirajo drugim virusom, tako da lahko ti veliki fagi neprekinjeno uživajo v obroku. Še en raziskovalec, Basem Al-Shayeb, pojasnjuje, da ti fagi uporabljajo ta sistem v lastno korist, "za spodbujanje boja med temi virusi."

Še en fascinanten element v enem od teh novih fagov je protein, ki ima enako vlogo kot protein Cas-9, sestavni del široko uporabljenega orodja za urejanje genov CRISPR-Cas9, ki sta ga prvič predstavila Doudna in Charpentier. Ta nova beljakovina se je imenovala CasØ - črka Ø, ali phi (v grščini), je simbol za fag. To je del družine Cas-12, vendar imajo ti fagi tudi druge bakterijske elemente CRISPR, kot je Cas-9, Cas-X, in proteini Cas-Y.

Nekateri od teh fagov imajo tudi zelo velike matrike CRISPR. To se nanaša na prisotnost nizov, sestavljenih iz fragmentov virusne DNA, pomnilniških nizov, ki omogočajo hitro prepoznavanje ponavljajočega se napada katerega koli od teh virusov. To, po vrsti, sproži takojšnje Cas reakcije, ki omogočajo posebno ciljanje teh virusov.

Življenje ali neživljenje?

Druga presenetljiva ugotovitev je bil pojav genov, ki kodirajo ribosomske beljakovine. Ribosom je celični organel, ki bere mRNA in jo uporablja za izdelavo specifičnih beljakovin. To je eden prvih pojavov ribosomskih genov v virusih.

Odkrili so tudi gene, ki kodirajo prenosne RNA, ki so molekule, ki ujamejo prave aminokisline, ki jih je treba vključiti v beljakovinsko sekvenco. Za tRNA obstajajo regulativni geni, geni za vklop procesa sinteze beljakovin, in celo nekaj ribosomskih segmentov. Ti geni se nahajajo le v življenjskih oblikah, saj so povezani s proizvodnjo beljakovinskih sestavin - kar je za razliko od tega, kar zmore kateri koli drug virus, in to je sposobnost, ki črkuje življenje.

Raziskovalec Rohan Sachdeva pravi, da je to "ena glavnih značilnosti, ki ločujejo viruse in bakterije," neživljenje in življenje. "To imenuje" nekoliko zameglitev črte ".

Zakaj so ti geni tam? Raziskovalci menijo, da bi jih lahko uporabili za ugrabitev ribosomov, da bi začeli razmnoževati virusne in ne gostiteljske bakterijske beljakovine. Dodatna ugotovitev je prisotnost alternativnih genetskih kod, ali uporaba več kot ene genetske kode za označevanje iste aminokisline. Ta lastnost bi lahko zavrgla bakterijski ribosom in ga prevarala v dekodiranje virusne RNA in ne lastne RNK gostitelja.

Posledice

Odkritje novih orodij, ki se uporabljajo v boju med bakterijami in virusi, ponuja veliko možnosti za iskanje novih orodij za urejanje genov. Številne nove gene je treba še raziskati glede njihovih funkcij, in lahko bi bilo, da bodo ti novi proteini v pomoč pri različnih aplikacijah v industriji, medicinske znanosti, ali v kmetijstvu.

Obstajajo nevarnosti, tudi. Virusi prenašajo gene iz ene bakterije v drugo - nekateri so lahko odgovorni za odpornost na antibiotike ali za virulenco (sposobnost povzročanja bolezni). Ta lastnost na novo odkritih fagov lahko pomeni, da obstaja nevarnost prenosa nekaterih od teh škodljivih genov v človeški mikrobiom, saj se fagi pojavljajo skupaj z bakterijami.

Ker je število genov, ki jih nosijo ti veliki fagi, izrazito večje od navadnih fagov, imajo večjo sposobnost premikanja po genih, ki lahko poškodujejo druge celice. Po drugi strani pa to povečuje tveganje, da bodo nekateri od teh genov pridobili geni v človeškem okolju.

Zaključek

Skupaj, raziskovalce navdušuje prisotnost fagov z ogromnimi genomi v različnih mikrobiomih po vsej zemlji. Odnos med temi velikimi fagi se razlaga kot pomen, da izvirajo iz starodavne družine virusov velikega genoma.

Pravi Banfield, "Imeti velike genome je ena uspešna strategija za obstoj. Ti bakterijski virusi so del biologije, podvojenih subjektov, o katerem vemo zelo malo. "

Dovolj res. Ti fagi so velikosti, zaradi katerih se prilegajo nekam v vrzel med arhejami (najzgodnejšimi sorodniki bakterij), in navadni fagi, ki so videti kot neživa bitja. Banfield jih opisuje kot "uspešne strategije obstoja, ki so hibridi med tem, kar mislimo kot tradicionalne viruse, in tradicionalnimi živimi organizmi."

• Nenavadno velik,
• Mikrobiomi v plasti kože so enaki, ne glede na starost in spol