Вирусы досаждают бактериям точно так же, как такие вирусы, как грипп, досаждают людям.
Некоторые из самых крупных из этих так называемых бактериофагов в настоящее время обнаружены в кишечнике человека, где они периодически уничтожают бактерии точно так же, как сезонные вспышки гриппа угнетают людей, согласно новому исследованию, проведенному Калифорнийским университетом. Беркли, ученые.
Эти «мегафаги», геном которых примерно в 10 раз больше, чем у среднего фага, и в два раза больше, чем у любого фага, обнаруженного ранее у людей, были обнаружены в желудочно-кишечном тракте человека, но только у людей, которые едят не- Западная диета с высоким содержанием клетчатки и низким содержанием жиров.
Показательно, что они также были обнаружены в кишках павианов и свиньи, демонстрируя, что фаги, которые могут нести гены, влияющие на здоровье человека, могут перемещаться между людьми и животными и, возможно, переносить болезни.
«Хорошо известно, что фаги несут гены, вызывающие заболевания, и гены, кодирующие устойчивость к антибиотикам», - говорит Джилл Бэнфилд, возглавляющая инициативу по микробиологии Института инновационной геномики и являющаяся профессором Калифорнийского университета в Беркли в области наук о Земле и планетах. наук об окружающей среде, политики и управления. «Перемещение мегафагов вместе с перемещением их бактерий-хозяев повышает вероятность того, что болезнь также может передаваться между животными и людьми, и что возможности для этого у мегафагов намного выше».
И поскольку мегафаги, которые большинство биологов не считают «живыми», крупнее таких форм жизни, как бактерии, они стирают различие между живым и неживым.
«Эти огромные сущности заполняют пробел между тем, что мы считаем не-жизнью и жизнью, и в некотором смысле мы почти не замечаем их», - сказал Бэнфилд.
Бэнфилд и ее коллеги сообщили о своих выводах онлайн 28 января в журнале Nature Microbiology.
Фаги и CRISPR
Banfield является пионером метагеномного секвенирования, то есть одновременного секвенирования всех генов из супа всех организмов в сообществе. Затем она и ее коллеги реконструируют геномы каждого существа в сообществе, часто обнаруживая микробы, которых раньше не видели. Исследуя микробные сообщества в стоках шахт, гейзерах, желудочно-кишечном тракте человека и глубоко под землей, она обнаружила так много новых микробов с помощью метагеномного секвенирования, что древо жизни пришлось переделать, чтобы вместить их всех.
В процессе она обнаружила множество генов бактериофагов, как формально называются фаги. На самом деле кластер CRISPR, обнаруженный у некоторых бактерий, представляет собой резервуар фрагментов генома фага, которые бактерии хранят, чтобы напомнить им о предыдущих заражениях фагами, что позволяет им быстро отражать последующие заражения тем же фагом. Белок Cas9, мобилизованный этими бактериями для нацеливания и уничтожения вирусных захватчиков, был адаптирован учеными Калифорнийского университета в Беркли и Венского университета в качестве мощного инструмента CRISPR-Cas9, который произвел революцию в биологии и оживил область генной терапии.
Во время секвенирования кишечных бактерий у людей в Бангладеш - часть исследования под руководством Джоанн Сантини из Университетского колледжа Лондона по изучению воздействия загрязненной мышьяком воды на кишечную флору - Бэнфилд идентифицировал эти мегафаги. После того, как она заново собрала их геномы, она увидела, что все они были в 10 раз больше, чем средний фаг, встречающийся в других микробиомах. Чтобы вместить раздутые геномы этих фагов, их упаковка, называемая капсидом, предположительно больше, чем у других известных фагов, возможно, от 200 до 300 нанометров в поперечнике..
Она и ее коллеги обнаружили сегмент CRISPR в одном типе бактерий, Prevotella, который содержал фрагменты ДНК мегафагов, предполагая, что мегафаги охотятся в первую очередь на Prevotella. Prevotella не распространена среди людей, придерживающихся западной диеты, с большим количеством мяса, жира и сахара, и меньше кишечных микробиомов у тех, кто придерживается незападной диеты типа «охотник-собиратель».
По словам соавтора Джоанны Сантини, Prevotella также связана с инфекциями верхних дыхательных путей и распространена при заболеваниях пародонта. Это означает, что новый мегафаг может открыть путь для разработки новых основанных на фагах методов лечения инфекций, вызванных Prevotella.
Микробиомы охотников-собирателей
Бэнфилд и ее команда назвали группу или кладу мегафагов «Лак-фаг» в честь области Бангладеш, где они их обнаружили, Лаксам Упазила. Впоследствии первый автор Одра Девото обнаружила фаги Lak в микробиоме кишечника членов племени охотников-собирателей хадза в Танзании, в двух отдельных социальных группах бабуинов, которые изучались в Кении, и в микробиоте кишечника свиней с датских ферм.
«Лакские фаги в свиньях более тесно связаны с людьми, чем бабуины, поэтому вполне вероятно, что эти фаги перемещаются между когортами животных», - сказал Банфилд. «Мы подозреваем, что фаги Prevotella и Lak были приобретены бабуинами совсем недавно, потому что бабуины так мало сопротивляются им, и они так широко распространены среди них».
Фаги, как известно, несут гены, которые усугубляют многие болезни человека. Они могут нести гены, которые кодируют токсины ботулизма, холеры и дифтерии, например, значительно ухудшая симптомы у инфицированных бактериями. Одна из целей Бэнфилда - увидеть, как популяции фагов и бактерий, на которых они охотятся в кишечнике, меняются со временем и в зависимости от диеты, и как это влияет на здоровье.
У четырех человек, чьи кишечные микробиомы были отобраны, команда обнаружила изменение уровней фага и Prevotella с течением времени, что указывает на постоянный цикл, когда рост популяции фага снижает популяцию бактерий, за которым следует падение фага, что позволяет Prevotella отскочить.
Бэнфилд предполагает, что мегафаги имеют более крупные геномы, чтобы производить белки, необходимые для предотвращения вмешательства бактериального хозяина в усилия фага по созданию большего количества своих копий, процесс, который занимает больше времени из-за большего генома.
Бэнфилд и ее лаборатория в Институте инновационной геномики, совместной инициативе Калифорнийского университета в Беркли и UCSF по широкому внедрению CRISPR-Cas9, ищут мегафаги в других метагеномных базах данных и надеются узнать больше о том, как они работают и действительно ли они таят в себе интересные и потенциально полезные белки.
«Эти геномы полны белков с неизвестной функцией, вероятно, путей для процессов, которые даже не представлялись на сегодняшний день. В этих новых геномах предстоит открыть много новой биологии», - сказала она.