Исследователи удвоили число известных микробных типов, инфицируемых вирусами, благодаря экологическим наборам данных

Микробы, которых на планете насчитывается порядка нониллиона (10³⁰), играют ключевую роль в регуляции углеродного цикла и глобальных циклов азота, серы, фосфора и других питательных веществ. Однако большинство из них остаются некультивируемыми и неизученными. Чтобы понять микробное разнообразие планеты, необходимо изучить взаимоотношения между микробами и заражающими их вирусами, которые влияют на способность микробов регулировать глобальные циклы.

В исследовании, опубликованном 17 августа 2016 года в Nature, учёные из Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) использовали крупнейшую коллекцию собранных метагеномных наборов данных со всего мира. Они проанализировали более 5 триллионов пар оснований (терабаз) последовательностей из 3042 образцов, собранных в 10 типах местообитаний.

Результаты исследования

• Было обнаружено более 125 000 частичных и полных геномов вирусов, большинство из которых инфицируют микробы.
• Это единичное усилие увеличило количество известных вирусных генов в 16 раз.
• Учёные смогли вычислительно идентифицировать хозяина для почти 10 000 вирусов.
• Более чем удвоено количество микробных типов (phyla), служащих хозяевами для вирусов: идентифицированы организмы-хозяева из 16 прокариотических типов, для которых ранее вирусы не были известны.
• Создана первая глобальная карта распределения вирусов.

Ключевые методы и наблюдения

• Применён чувствительный вычислительный подход с использованием как изолированных вирусов, так и вручную курируемых моделей вирусных белков.
• Проанализирована система CRISPR-Cas — иммунный механизм бактерий. Создана база данных из 3,5 миллионов спейсерных последовательностей (фрагментов генетических последовательностей фагов), что позволило отслеживать происхождение вирусов и идентифицировать их хозяев.
• Обнаружены вирусные группы с широким распространением. Например, одна группа вирусов была найдена в 95% всех образцов из «сумеречной зоны» океана (200–1000 метров ниже поверхности).
• 99% идентифицированных семейств вирусов не являются близкородственными ни одному ранее секвенированному вирусу.

Значение для будущих исследований

• Расширенное вирусное последовательностное пространство позволит искать новые мотивы, прилегающие к протоспейсеру (PAM), которые используются белками CRISPR-Cas в качестве «маяков» для редактирования или регуляции генов.
• Обнаружение многих крупных фагов, включая самый длинный из известных на сегодняшний день геном фага, указывает на ограничения обычных стратегий обогащения и секвенирования виромов, которые могут игнорировать высоко-новые вирусы с необычными свойствами.
• Новые вирусные последовательности помогут в синтетической биологии для разработки новых промоторов, способных работать во многих бактериальных хозяевах.

Как отметил старший автор работы Никос Кирпидес, исследование не было сосредоточено на одном типе местообитаний, а изучило глобальный виром и перемещение вирусов между экосистемами, что предоставляет огромный массив новых данных для будущих открытий.