Nyupptäckta stora fager suddar gränsen mellan liv och skada

En ny studie publicerad i tidskriften Natur visar att det finns bokstavligen hundratals virus som är tillräckligt stora för att konsumera bakterier, och med egenskaper som är typiska för en levande organism snarare än de icke-levande självreplikerande paketen av DNA/RNA som virus ofta antas vara.

Dessa virus kallas bakteriofager - bokstavligen, ätare av bakterier - och fager i korthet. Medan fager har funnits länge, dessa nya fager är häpnadsväckande när det gäller deras storlek och biologiskt komplexa system. Många av deras gener finns vanligtvis i bakterier och används för att attackera sina värdbakterier.

Processen

Var hittade forskarna dessa sällsynta enorma fager? De granskade en stor databas med DNA -sekvenser som erhållits från ett brett och varierat spektrum av miljöer på jorden. Dessa nästan 30 mikrobiomer sträckte sig över spektrumet från en varm källa i Tibet, genom bioreaktorer i Sydafrika, till tarmen hos en kvinna som bär en bebis i livmodern. Andra platser inkluderar underjordiska hål, hav, sjöar, och tarmen hos ett prematur barn.

Forskaren Jill Banfield har gjort detta i över ett och ett halvt decennium. Hon räknar ut sekvenserna av alla DNA -bitar i alla prov hon får från en plats på jorden. Hon passar sedan ihop pusselbitarna för att få den genomiska sekvensen.

I de flesta fallen, hon får ett utkast till genomet, men några få har bekräftats vara genomerna för helt nya mikrober. Några av dessa mikrober regleras av små genomer som, verkligen, verkar oförmögna att upprätthålla livet självständigt, och istället är helt beroende av andra livsformer, nämligen, archaea och bakterier.

Stora genomfager

Det var ett år sedan som hon rapporterade upptäckten av stora fager, som hon kallade Lak -fager, i människans tarm och mun. Dessa fager äter bakterier i saliven och tarmen.

I det nya papperet hon rapporterar isolering av över 350 mycket stora fager med genomer som är, på 200 längder, 000 baser, fyra gånger större än den genomsnittliga genetiska sekvensen för någon hittills känd bakteriofag (50 kb). Banfield kommentarer, "Vi utforskar jordens mikrobiomer, och ibland dyker det upp oväntade saker. "

Den största sekvenserade hittills har ett genom som sträcker sig över häpnadsväckande 735, 000 baspar, som är ungefär 15 gånger storleken på det genomsnittliga faggenomet, och faktiskt, markant större än många bakteriella genomer. Men det kan fortfarande vara större eftersom de bara har sekvenserat 175 av dessa stora fager tills nu.

Skildring av stora fager (röd, vänster) och normala fager som infekterar en bakteriecell. Den enorma fagen injicerar sitt DNA i värdcellen, där Cas -proteiner - en del av CRISPR -immunsystemet som vanligtvis endast finns i bakterier och archaea - manipulerar värdcellens svar på andra virus. UC Berkeley -laget har ännu inte fotograferat några stora fager, så alla är avbildade som liknar den vanligaste typen av fag, T4. Bildkredit:UC Berkeley -bild med tillstånd av Jill Banfield lab

Ett tjat av fager

Dessa stora fager klassificerades i tio klader eller grupper. Var och en har fått namnet "Stor fag" men använder olika språk, eller olika ord på samma språk. Språken är de från forskarnas ursprungsland. Således finns det en Mahaphage -clade, en Biggiephage, en Judaphage, en Kaempephage, en Dakhmphage, en Jabbarphage och en Kabirphage, liksom en Enormephage, Whopperphage, och Kyodaiphage -kladen - på sanskrit, Australiensisk engelska, Kinesiska, Danska, Arabiska (de tre nästa), Franska, Amerikansk engelska, och japanska!

Bakterievapen i virus?

Bakteriegenerna i dessa fager innehåller några CRISPR -element, genredigerande proteinkodande segment, som används av bakterier för att motstå virusangrepp. Forskarna tror att dessa element är avsedda att bli en del av värdens CRISPR -system, ger bakterierna möjlighet att motstå andra virus så att dessa stora fag kan njuta av sin måltid oavbrutet. En annan forskare, Basem Al-Shayeb, förklarar att dessa fager använder detta system för sin egen fördel, "för att driva krig mellan dessa virus."

Ett annat fascinerande element i en av dessa nya fager är ett protein som spelar samma roll som Cas-9-proteinet, en integrerad del av det mycket använda CRISPR-Cas9 genredigeringsverktyget som först introducerades av Doudna och Charpentier. Detta nya protein har kallats CasØ - bokstaven Ø, eller phi (på grekiska), är symbolen för en fag. Detta är en del av familjen Cas-12, men dessa fag har också andra bakteriella CRISPR-element som Cas-9, Cas-X, och Cas-Y-proteiner.

Några av dessa fager har också mycket stora CRISPR -matriser. Detta avser närvaron av matriser bestående av virala DNA -fragment, minnesarrayer som möjliggör snabb igenkänning av en upprepad attack av något av dessa virus. Detta, i tur och ordning, utlöser omedelbara Cas -reaktioner, möjliggör specifik inriktning av dessa virus.

Liv eller icke-liv?

En annan häpnadsväckande upptäckt var förekomsten av gener som kodar för ribosomala proteiner. Ribosomen är cellorganellen som läser mRNA och använder den för att göra specifika proteiner. Detta är bland de första förekomsterna av ribosomala gener i virus.

De hittade också gener som kodar för överföring av RNA, vilka är molekylerna som tar upp rätt aminosyror som ska införlivas i proteinsekvensen. Det finns reglerande gener för tRNA, gener för att slå på proteinsyntesprocessen, och till och med några ribosomala segment. Dessa gener finns bara i livsformer eftersom de har att göra med tillverkning av proteinkomponenter - vilket är till skillnad från vad något annat virus kan göra, och som är en förmåga som stavar liv.

Utredaren Rohan Sachdeva säger att detta är "en av de viktigaste definierande funktionerna som skiljer virus och bakterier, icke-liv och liv. "Han kallar detta" att suddas ut lite ".

Varför finns dessa gener där? Forskarna tror att de kan användas för att kapa ribosomerna för att börja replikera virala snarare än värdbakteriella proteiner. Ett ytterligare fynd är förekomsten av alternativa genetiska koder, eller användningen av mer än en genetisk kod för att beteckna samma aminosyra. Den här funktionen kan mycket väl slänga den bakteriella ribosomen från spåret och lura den till att avkoda viralt RNA snarare än värdens eget RNA.

Implikationer

Upptäckten av nya verktyg som används i kampen mellan bakterier och virus erbjuder många möjligheter att hitta nya genredigeringsverktyg. Många av de nya generna återstår att utforska för deras funktioner, och det kan mycket väl vara så att dessa nya proteiner kommer att vara till hjälp i olika applikationer inom industrin, medicinska vetenskaperna, eller inom jordbruket.

Det finns faror, för. Virus överför gener från en bakterie till en annan - varav några kan vara ansvariga för antibiotikaresistens eller för virulens (förmågan att orsaka sjukdom). Denna egenskap hos de nyupptäckta fagerna kan innebära att det finns risk för att några av dessa skadliga gener överförs till det mänskliga mikrobiomet eftersom fager förekommer tillsammans med bakterier.

Eftersom antalet gener som bärs av dessa stora fager är markant högre än vanliga fager, de har en större förmåga att flytta runt gener som kan skada andra celler. I tur och ordning, detta ökar risken att några av dessa gener kommer att förvärvas av gener i den mänskliga miljön.

Slutsats

Sammanlagt, forskarna fascineras av närvaron av fager med stora genomer i en mängd olika mikrobiomer över hela jorden. Förhållandet mellan dessa stora fager tolkas som att de kommer från en gammal familj av stora genomvirus.

Säger Banfield, "Att ha stora genomer är en framgångsrik existensstrategi. Dessa bakterievirus är en del av biologin, av replikerande enheter, som vi vet väldigt lite om. "

Tillräckligt sant. Dessa fager är av en storlek som gör att de passar någonstans i gapet mellan archaea (de tidigaste släktingarna till bakterier), och vanliga fager som ser ut som icke-levande saker. Banfield beskriver dem som "framgångsrika existensstrategier som är hybrider mellan det vi tänker på som traditionella virus och traditionella levande organismer."

• Ovanligt stor,
• Mikrobiom i hudens hudlager är detsamma oavsett ålder och kön