Гигантские бактериофаги стирают грань между живым и неживым

Учёные обнаружили сотни необычно крупных вирусов, убивающих бактерии, с функциями, обычно ассоциирующимися с живыми организмами. Это размывает границу между живыми микробами и вирусными частицами.

Эти фаги (бактериофаги) имеют размер и сложность, типичные для жизни. Они несут многочисленные гены, обычно встречающиеся у бактерий, и используют их против своих бактериальных хозяев.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и их коллеги нашли эти огромные фаги, проанализировав обширную базу данных ДНК, созданную из почти 30 различных земных сред: от кишечника недоношенных детей и беременных женщин до тибетского горячего источника, южноафриканского биореактора, больничных палат, океанов, озёр и глубоких подземных слоёв.

Всего было идентифицировано 351 различных гигантских фага, чьи геномы как минимум в 4 раза больше среднего генома вирусов, поражающих одноклеточные бактерии.

Среди них — крупнейший из известных бактериофагов: его геном длиной 735 000 пар оснований почти в 15 раз больше среднего фага. Этот геном значительно превосходит геномы многих бактерий.

«Эти огромные фаги заполняют пробел между неживыми бактериофагами, с одной стороны, и бактериями и археями. Существуют успешные стратегии существования, которые являются гибридами между тем, что мы считаем традиционными вирусами и традиционными живыми организмами», — говорит Джилл Бэнфилд, старший автор статьи в журнале Nature.

Новый белок Cas

В ДНК этих гигантских фагов обнаружены компоненты системы CRISPR, которую бактерии используют для борьбы с вирусами. Вероятно, вирусная CRISPR-система усиливает систему бактерии-хозяина, чтобы тактировать другие вирусы.

«Захватывающе, как эти фаги перепрофилировали систему, которую мы считали бактериальной или архейной, для использования в своих интересах против конкурентов», — отмечает аспирант Басем Аль-Шайеб.

Один из гигантских фагов также способен производить белок, аналогичный Cas9 — ключевому компоненту инструмента для редактирования генов CRISPR-Cas9. Команда назвала этот крошечный белок CasØ (где Ø — греческая буква "фи", традиционно обозначающая бактериофаг).

«В этих гигантских фагах есть большой потенциал для поиска новых инструментов геномной инженерии. Многие найденные нами гены неизвестны и могут быть источником новых белков для промышленных, медицинских или сельскохозяйственных применений», — говорит Рохан Сахдева.

Последствия для медицины и экологии

Открытие имеет значение для понимания болезней человека. Фаги могут переносить гены между клетками, включая гены устойчивости к антибиотикам. Поскольку фаги обитают везде, где есть бактерии и археи (включая микробиом кишечника человека), они могут внедрять вредные гены в колонизирующие человека бактерии.

«Некоторые болезни вызываются фагами косвенно, поскольку они переносят гены, вовлечённые в патогенез и антибиотикорезистентность. Чем больше геном, тем выше способность переносить такие гены», — поясняет Бэнфилд.

Гены, характерные для жизни

В гигантских фагах найдены гены, кодирующие белки, критически важные для работы рибосомы — машины, переводящей матричную РНК (mRNA) в белок. Такие гены обычно не встречаются у вирусов, только у бактерий или архей.

Обнаружены многочисленные гены для транспортных РНК (tRNA), генов, регулирующих трансляцию, и даже фрагментов самой рибосомы.

«Наличие рибосомы и способность к трансляции — одно из главных отличий жизни от не-жизни, вирусов от бактерий. Некоторые крупные фаги обладают многими компонентами этой трансляционной машинерии, что немного размывает границу», — говорит Сахдева.

Гигантские фаги, вероятно, используют эти гены, чтобы перенаправить рибосомы на производство собственных белков в ущерб бактериальным. Некоторые из них также имеют альтернативный генетический код, что может сбивать с толку бактериальную рибосому.

Установленные линии гигантских фагов

Исследователи разделили 351 мегафаг на 10 новых групп (клад), названных словами, означающими «большой» на языках соавторов статьи: Mahaphage, Kabirphage, Dakhmphage, Jabbarphage, Kyodaiphage, Biggiephage, Whopperphage, Judaphage, Enormephage, Kaempephage.

«Высокий уровень выводов заключается в том, что фаги с большими геномами довольно распространены в экосистемах Земли. Это установленные линии с долгой историей большого размера генома. Большой геном — это одна из успешных стратегий существования, о которой мы очень мало знаем», — резюмирует Бэнфилд.