В то время как микробов в одной капле воды может быть больше, чем населения небольшого города, количество вирусов в одной капле, подавляющее большинство из которых не вредно для человека, может быть еще больше. Вирусы поражают бактерии, археи и эукариоты, и размер их частиц и генома варьируется от маленького до большого и даже гигантского. Геномы гигантских вирусов примерно в 100 раз больше, чем обычно ассоциируются с вирусами, в то время как геномы крупных вирусов могут быть только в 10 раз больше. И все же, хотя они встречаются повсюду, о вирусах известно сравнительно мало, и тем более о тех, которые считаются большими и гигантскими.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа исследователей из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), исследовательского центра Министерства энергетики США, расположенного в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) обнаружили большое разнообразие крупных и гигантских вирусов, принадлежащих к супергруппе ядерно-цитоплазматических крупных ДНК-вирусов (NCLDV). Расширение разнообразия крупных и гигантских вирусов позволило исследователям понять, как они могут взаимодействовать со своими хозяевами и как эти взаимодействия могут, в свою очередь, повлиять на сообщества хозяев и их роль в круговороте углерода и других питательных веществ.
Это первое исследование, в котором более глобально рассматриваются гигантские вирусы путем захвата геномов некультивируемых гигантских вирусов из экологических последовательностей по всему миру, а затем использования этих последовательностей для выводов о биогеографическом распространении этих вирусов в различные экосистемы, их разнообразие, их предполагаемые метаболические особенности и предполагаемые хозяева», - отметила старший автор исследования Таня Войк, возглавляющая микробную программу JGI.
Команда извлекла более 8 500 общедоступных наборов метагеномных данных, созданных в местах отбора проб по всему миру, включая данные из нескольких предложений, соответствующих миссии Министерства энергетики, в рамках Программы общественных наук JGI. Предложения исследователей из Университета Конкордия (Канада), Мичиганского университета, Университета Висконсин-Мэдисон и Технологического института Джорджии касались микробных сообществ из пресноводных экосистем, включая, соответственно, северные озера Канады, Великие Лаврентийские озера, оз. Мендота и озеро Ланье представляли особый интерес.
Отсеивание и реконструкция вирусных геномов
Большая часть того, что известно о группе NCLDV, получено из вирусов, которые культивировались совместно с амёбами или их хозяевами, хотя метагеномика теперь позволяет искать и характеризовать некультивируемые вирусы. Например, исследование 2018 года, проведенное группой под руководством JGI, впервые обнаружило гигантские вирусы в почве. В текущем исследовании применялся многоэтапный подход к извлечению, удалению и последующей фильтрации данных по основному капсидному белку (MCP) для идентификации вирусов NCLDV. Исследователи JGI ранее применяли этот подход для обнаружения новой группы гигантских вирусов, получивших название «вирусы Клоснеу».
Ранее известные представители вирусных линий в группе NCLDV заражают в основном простейших и водоросли, а некоторые из них имеют геномы в диапазоне мегабаз. Руководитель исследования и соавтор Фредерик Шульц, научный сотрудник группы Войка, использовал MCP в качестве штрих-кода для отсеивания вирусных фрагментов, реконструируя 2074 генома больших и гигантских вирусов. В метагеномных данных было идентифицировано более 50 000 копий MCP, две трети из которых могут быть отнесены к вирусным линиям, и преимущественно в образцах из морских (55%) и пресноводных (40%) сред. В результате пространство белков гигантских вирусов выросло со 123 000 до более чем 900 000 белков, а разнообразие вирусов в этой группе увеличилось в 10 раз с 205 геномов, переопределив филогенетическое древо гигантских вирусов.
Общая стратегия метаболического перепрограммирования для больших и гигантских вирусов
Другим важным открытием исследования стала общая стратегия, используемая как большими, так и гигантскими вирусами. Метаболическое перепрограммирование, как объяснил Шульц, заставляет хозяина лучше функционировать при определенных условиях, что затем помогает вирусу быстрее размножаться и производить больше потомства. Это может оказать краткосрочное и долгосрочное воздействие на метаболизм хозяина в целом или на популяцию хозяина, на которую воздействуют неблагоприятные условия окружающей среды. Предсказание функций 2000 новых геномов гигантских вирусов привело к тому, что команда обнаружила распространенность закодированных функций, которые могут стимулировать метаболизм хозяина, таких как гены, которые играют роль в поглощении и транспортировке различных субстратов, а также гены фотосинтеза, включая потенциальные световые управляемые протонные насосы. «Мы видим, что это, вероятно, обычная стратегия среди больших и гигантских вирусов, основанная на предсказанном метаболизме, закодированном в вирусных геномах», - сказал он.«Кажется, это встречается гораздо чаще, чем считалось ранее».
Войк отметил, что, несмотря на количество геномов, собранных из метагенома (MAG), реконструированных в результате этой работы, команде все еще не удалось связать 20 000 основных капсидных белков больших и гигантских вирусов с какой-либо известной вирусной линией. «Получение полных, почти полных или частичных геномов гигантских вирусов, реконструированных из последовательностей окружающей среды, по-прежнему является сложной задачей, и даже с этим исследованием мы, вероятно, просто поцарапаем поверхность того, что там есть. Помимо этих 2000 MAG, извлеченных из 8000 метагеномов, в различных экосистемах все еще существует огромное разнообразие вирусов, которых нам не хватает. Мы можем обнаружить намного больше MCP, чем мы можем извлечь MAG, и они пока не вписываются в геномное дерево вирусного разнообразия».
"Мы ожидаем, что это изменится не только с появлением новых наборов данных метагенома, но и с дополнительной сортировкой и секвенированием отдельных клеток вирусов вместе с их одноклеточными хозяевами", - добавил Шульц.