Как вирусы бактерий раскрывают секреты

Как вирусы бактерий раскрывают секреты эволюции жизни на Земле

Открыв 351 новый гигантский вирус-бактериофаг, международная команда ученых обнаружила, что между ними и живыми клетками гораздо больше общего, чем считалось раньше

Василий Парфенов

14.02.2020

Вопрос о том, являются ли вирусы жизнью, или же неживой материей — дискуссионный. Даже если оставить в стороне философские стороны этого спора, вирусы, как минимум, не умеют размножаться самостоятельно, не могут синтезировать белки и у них нет метаболизма. Иными словами, вне зараженной клетки они не функционируют. Но в тоже время, скорее всего, вирусы (не нынешние, конечно, а их предки) являются предшественниками клеточной жизни — самовоспроизводящимися в определенных условиях сложными молекулярными структурами.

Однако, возникает вопрос, а каким образом из чего-то похожего на вирус могла развиться более сложная жизнь? Исследователи нашли 351 вид гигантских бактериофагов (вирусов, поражающих бактерии), которые приоткрывают завесу тайны над этим процессом. Обнаружили их в результате анализа огромной базы данных генетического материала, собранного в трех десятках самых разных мест на Земле — от микрофлоры кишечника эмбриона и горячего ключа в Тибете, до южноафриканского биореактора и глубоких скважин. Результаты работы коллектива из Калифорнийского университета в Беркли были опубликованы в журнале Nature 12 февраля.


Вирусы

Инфекционные агенты, воспроизводство которых возможно только в живых клетках (всех типов организмов — от грибов до растений, а также от бактерий и архей до животных). В общем случае вирус состоит из генетического материала (ДНК или РНК), заключенного в оболочку (капсид). Поскольку вариативность их строения практически безгранична, может существовать большое количество дополнительных элементов (оболочек, специальных белков и даже дополнительных генетических последовательностей). В ходе жизненного цикла вирус проникает через внешнюю оболочку целевой клетки, высвобождает в ней свой генетический материал, который ее органеллы воспринимают в качестве инструкции к действию и начинают воспроизводить нужные захватчику белки. В конце концов, зараженная клетка собирает новые копии инфекционных агентов, которые выходят из нее во внешнюю среду и ищут новую цель.

Гигантскими эти бактериофаги называются, потому что их геном невероятно большой для вирусов. Обычные инфекционные агенты, атакующие бактерии, имеют «на борту» около 50 тысяч пар оснований, а герои нового исследования — более 200. Причем рекордсмен по объему генетического материала превзошел даже большинство клеток, которые поражает, и его ДНК имеет 735 тысяч пар оснований. На самом деле, в выборке могут быть и еще более монструозные вирусы, просто их еще не всех успели проанализировать. Всего «посчитали» 175 из 351, а остальные — пока лишь просто отобраны по признаку длины генома (>200 тысяч пар оснований).

Зачем же этим бактериофагам нести так много информации в заражаемую клетку? Выяснилось, что сюрпризов предостаточно. Во‑первых, некоторые найденные виды помогают носителю укрепить иммунитет. Но, конечно, не против себя — они расчищают поле деятельности и уничтожают конкурентов. Делается это весьма интересным образом: в ДНК вируса встроены короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (CRISPR), между которыми размещены кусочки генома других вирусов, а также специальные последовательности, кодирующие Cas-белки.

После того, как подобный участок ДНК будет обработан клеткой, Cas-белки получат возможность атаковать другие вирусы, имея части их генома в качестве своеобразного механизма целеуказания. К слову, этот принцип используется для модификации ДНК учеными-генетиками и называется CRISPR-Cas. Причем один из найденных в изученных бактериофагах Cas-белков, был аналогичен одному из популярных инструментов ученых.


Угроза людям

На первый взгляд, бактериофаги не могут навредить человеку. Однако они способствуют переносу генов между бактериями, в том числе — устойчивости к антибиотикам. В данном контексте исследование вирусов, атакующих бактерии становится все важнее с каждым годом.

Еще одно интригующее открытие — кодирование целых органелл в целевой клетке на случай, если вирусу для репликации требуется какой-то специфический белок или «производительности» жертвы не хватает. Один из найденных бактериофагов буквально нес в своем геноме информацию по созданию дополнительных рибосом. Кроме того, были обнаружены участки генома, которые кодируют транспортную РНК (необходимую для создания отдельных белков), а также регулирующие ее поведение и активирующие трансляцию белки.

Открыв 351 новый гигантский вирус-бактериофаг, международная команда ученых обнаружила, что между ними и живыми клетками гораздо больше общего, чем считалось раньше
Гигантский бактериофаг по сравнению с обычными

Наш герой — красный, сверху слева. В отличие от обычных небольших вирусов, которые просто прикрепляются и вводят свой геном в целевую клетку, он, проникнув в нее, сначала создает иммунитет. Его геном содержит большие участки, кодирующие Cas-белки, являющиеся частью CRISPR-иммунной системы. Таким образом, гигантский бактериофаг вытравливает из своего нового места обитания всех конкурентов. К сожалению, в Беркли пока еще не смогли получить изображение новых вирусов, поэтому временно изобразили их в виде сильно увеличенных обычных бактериофагов.

Все вышеописанные функции генома, обычно, не характерны для вирусов, а присущи живым клеткам. Данное исследование показывает, каким путем могло идти усложнение и развитие жизни на ранних этапах ее эволюции. Если вирусы способны нести столь сложный геном, то и первичные структуры, предшествовавшие клеточной жизни могли иметь сложное строение для кодирования аминокислот и белков «на все случаи жизни». Обнаруженные в рамках работы бактериофаги распространены по всему свету и при этом являются родственными видами. На основании этого, можно утверждать, что данные типы гигантских вирусов существуют очень давно. Это может дополнительно подтверждать мысль о выгоде данной стратегии — длинный геном помогает в выживании.

Наконец, научный коллектив из Беркли опроверг стереотип об отсутствии юмора у исследователей. Поскольку 351 мегавирус в результате изучения и классификации был разделен на 10 групп (клад), им нужно было придумать название. Решили соединить «большой» на языке страны происхождения одного из ученых и «фаг». Получилось: махафаги (санскрит), кабирфаги, дахмфаги, джаббарфаги (арабский), киодаифаги (японский), биггифаги (австралийский английский), вопперфаги (американский английский), юдафаги (китайский), энормофаги (французский) и каемпефаги (датский).