Гигантские и малоизученные: исследователи начинают раскрывать таинственную жизнь джамбо-бактериофагов
Вирусы — крошечные, но могущественные захватчики, встречающиеся в окружающей среде, включая организм человека, и играющие разнообразную роль в экосистемах. Вирусы также сильно различаются по размеру. Некоторые даже крупнее бактерий, что учёные считали редким явлением до недавнего времени.
Среди таких крупных вирусов — бактериальные вирусы, называемые джамбо-бактериофагами. Их открыли десятилетия назад, но, парадоксальным образом, они в основном ускользали от дальнейшего изучения, потому что учёные искали в слишком маленьком масштабе.
Алейна Вайнхаймер, кандидат наук, и Фрэнк Эйлуорд, доцент кафедры биологических наук в Колледже науки Виргинского политехнического института, стремятся ответить на несколько важных вопросов об этих гигантских вирусах. В недавнем исследовании Вайнхаймер собрала и проанализировала геномы морских джамбо-фагов, что привело к ряду открытий об их эволюции и экологии.
«Мы только начинаем осознавать разнообразие и масштабы джамбо-фагов в окружающей среде», — сказала Вайнхаймер, первый автор статьи. Их выводы опубликованы в The ISME Journal: Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology.
Бактерии — движущая сила океанских циклов питательных веществ. Несмотря на своё положение в основании пищевой цепи, они выполняют жизненно важные функции, такие как фотосинтез и фиксация азота, что вносит большой вклад в здоровье морских экосистем.
Когда джамбо-бактериофаги заражают и убивают бактерии, они сначала захватывают контроль над метаболизмом бактерии, превращая её основные функции — такие как фотосинтез и транскрипция — в репликацию новых вирусов. Чтобы высвободить новые вирусы, клетка бактерии лопается, что также выбрасывает питательные вещества и органический материал клетки в море. Эти инфекции формируют циклы питательных веществ в океане.
По этой причине исследователи стремятся понять, как фаги меняют состав морских микробных сообществ и циклы питательных веществ, на которые влияют бактерии. Но для изучения таких вирусов исследователям нужно работать за пределами базового микроскопического уровня.
Вирусы невероятно сложно выращивать в лаборатории, поэтому для их анализа исследователи часто собирают образцы ДНК из окружающей среды, называемые метагеномами. Каждый метагеномный образец состоит из ДНК множества организмов или сущностей, что означает, что исследователям приходится изолировать и собирать воедино сами геномы вирусов. Этот процесс похож на сборку неполного пазла.
«Когда мы секвенируем ДНК в окружающей среде, мы сначала должны разбить ДНК на крошечные кусочки», — объяснила Вайнхаймер. «После секвенирования мы собираем кусочки обратно в более длинные последовательности ДНК, которые, как мы думаем, принадлежат одному геному».
Из-за особенно сложной эволюции и геномов исследователям приходится придумывать изощрённые способы обнаружения джамбо-фагов и как можно более точного и полного восстановления их геномов.
После некоторых проб и ошибок Вайнхаймер и Эйлуорд разработали метод, который поможет другим исследователям лучше идентифицировать и группировать джамбо-бактериофаги в метагеномах.
С помощью этого подхода им удалось успешно восстановить 85 высококачественных геномов джамбо-фагов, присутствующих в океане. Затем они сгруппировали эти джамбо-фаги на основе генного содержания с другими известными джамбо-фагами и смогли сделать вывод, что определённые группы джамбо-фагов более распространены в поверхностных водах, чем в глубинных, и наоборот.
«Традиционные методы обычно рассматривают только фрагмент геномов джамбо-фагов, — сказала Вайнхаймер. — Но с нашим подходом мы приближаемся к полным геномам и поэтому можем лучше понять разнообразие и биологию этих фагов».
В своём исследовании Вайнхаймер и Эйлуорд также предполагают, что у бактериофагов есть разные пути эволюции таких больших геномов. В то время как одни фаги приобретают гены фотосинтеза для повышения эффективности заражения, другие захватывают гены, более важные для борьбы с защитными системами своего хозяина.
Это открытие подтверждает гипотезу о том, что «гонка вооружений» систем защиты является частью причины впечатляющего размера и разнообразия геномов бактериофагов.
Но предстоит ещё многое сделать, чтобы понять, как сложность возникает или развивается в мире вирусов и как они эволюционируют вместе со своими хозяевами. Теперь, когда Вайнхаймер и Эйлуорд знают, где эти джамбо-фаги более распространены, они могут собирать образцы, чтобы потенциально даже начать выращивать их в лаборатории.
«Нацеливаясь на изоляцию джамбо-фагов или выращивая их в лаборатории, мы можем лучше понять их биологию, — сказала Вайнхаймер. — У многих джамбо-фагов есть гены с неизвестными функциями, и нам не терпится узнать, что мы найдём».
Кроме того, их методы можно применять к образцам метагеномов из других сред, таких как почвы и озёра, чтобы начать понимать, какую роль джамбо-фаги могут играть в этих экосистемах.