Вирусы — самые распространенные и разнообразные биологические объекты на Земле, живущие в любой среде обитания. Только в океане вирусов в десять раз больше, чем микробов.
Вирусы размножаются, заражая живые организмы, от людей и животных до насекомых и даже микробов. Хотя вирусы из окружающей среды, поражающие микробы, не были обнаружены недавно, однако их распространенность ранее не была известна. Исследователи только сейчас начинают понимать разнообразие вирусов, их воздействие и функции в экосистемах.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Microbiology, исследуются вирусы, заражающие микробы в глубоком море, и обнаруживаются доказательства того, что вирусы взаимодействуют с гораздо более разнообразным набором хозяев, чем считалось ранее. Выводы исследования могут помочь лучше понять вирусы и разработать методы лечения вирусов.
Ведущий автор к.т.н. Кандидат Юнха Хван и старший автор профессор Питер Гиргуис, работающие на кафедре органической и эволюционной биологии, собрали образцы микробных матов глубоководных гидротермальных жерл во время экспедиции 2021 года в бассейне Гуаймас, Мексика. Эти микробные маты состоят из огромного количества бактерий и архей, микробов, которые доминируют в этих экосистемах. Оба являются микробами, но бактерии и археи — очень разные таксоны; так же отличаются друг от друга, как бактерии от людей.
Хотя миры разделены, многие археи и бактерии выживают благодаря симбиотическим отношениям. В гидротермальных источниках бактерии и археи образуют массы, которые могут использовать энергию метана, содержащегося в этих средах. Хотя эти отношения необходимы для выживания, они не меняют того факта, что эти две линии биологически очень разные. Что еще больше удивило Хванга и Гиргуиса, когда они обнаружили, что и бактерии, и археи обладают иммунитетом против одних и тех же вирусов.
«Мы были сбиты с толку, когда увидели результаты, — сказал Хван, — потому что, независимо от того, симбиотические они или нет, механизм заражения считается очень сложным и специфичным для хозяина. Если археи и бактерии настолько разные, как один вирус может заразить обоих?» Этот вопрос заставил исследователей задуматься обо всех разнообразных способах взаимодействия вирусов с микробами, выходящих за рамки инфекции.
Большая часть работы с вирусами проводилась в лабораториях с одной культурой и одним вирусом. Исследования только недавно начали распространяться на естественную среду, что требует использования различных инструментов, поскольку микробы нелегко культивировать в лабораториях.
«Около девяноста девяти или более процентов микробов, которые, как мы знаем, существуют в природе, мы не можем культивировать в лаборатории, — сказал Хван, — теперь мы можем секвенировать микробную ДНК, не культивируя то, что находится в океане или в почве. И в связи с этим мы можем спросить: «Что это за вирусы и каковы их взаимодействия?»
Прежде чем присоединиться к лаборатории Гиргуиса, Хванг изучал вирусы в условиях пустыни и заметил, что взаимодействие хозяина и вируса в природе гораздо более тонкое, чем в лабораторных условиях. Глубоководные жерла — в отличие от почв пустыни — содержат большие микробные маты с миллиардами микробов, вовлеченных в симбиотические отношения. Наблюдая за этой уникальной средой, исследователи задались вопросом: если микробы живут в такой высокой плотности, существуют ли вирусы с более широким «диапазоном хозяев»? Другими словами, были ли они способны заражать различные микробы?
Они секвенировали ДНК из образцов и восстановили собранные метагеномы геномы микробов и вирусов. Они использовали спейсеры CRISPR (которые кодируют иммунологическую память микроба), чтобы сделать вывод, к каким вирусам в образце микроб невосприимчив.
Чтобы подтвердить свои выводы, они использовали более новый метод, называемый секвенированием Hi-C (высокопроизводительный захват конформации хромосом). Если вирусная ДНК обнаружена внутри клетки, метод Hi-C может секвенировать перекрестно сшитую ДНК вируса и хозяина. Обнаружив статистически значимый контакт между вирусной ДНК и микробной ДНК, исследователи смогли подтвердить свои выводы о том, что вирусная ДНК находится не только в одном типе клеток, но и в филогенетически удаленных клетках.
«Анализ спейсера CRISPR и данные Hi-C показали поразительную картину того, что вирусы геномно взаимодействуют с очень отдаленно родственными наборами микробов, особенно с теми, которые находятся в симбиозе друг с другом, — сказал Хванг, — это взаимодействие приводит к очень интригующему явлению, когда симбиотические микробы обладают иммунологической памятью против одних и тех же вирусов, а это означает, что в сотрудничестве симбиотических партнеров есть преимущество, которое существует также в их иммунитете Мы наблюдали это в популяциях бактерий, но не наблюдали у отдаленно родственных видов. довольно острое открытие, поскольку оно показывает, насколько взаимосвязана природная среда».
«Юнха очень умна, разработав эксперимент, в котором используются вентиляционные микробные маты, чтобы лучше понять роль вирусов в средах обитания, где плотность микробов безумно высока, — сказала Гиргуис, — она также очень вдумчиво ищет закономерности в геномах как археи, так и бактерии. Спейсер CRISPR и данные Hi-C показали нам, что бактерии так или иначе взаимодействуют с тем же вирусом, что и археи, которые являются полностью дикими».
Исследование бросает вызов общепринятому мнению о том, что вирусы взаимодействуют с узким набором носителей. И хотя исследователи все еще собирают прямые доказательства того, что один и тот же тип вируса заражает этих двух совершенно разных хозяев, данные ясно показывают, что и бактерии, и археи обладают иммунитетом против одного и того же вируса.
Эти результаты побудили Хванга и Гиргуиса предложить различные модели взаимодействия хозяина и вируса с экологическими и эволюционными последствиями, выходящими за рамки инфекции. Они предполагают, что вирусные взаимодействия с микробами, которые не являются первичными хозяевами вируса, на самом деле могут быть распространены в природе, особенно там, где микробы существуют в симбиотических отношениях.
«Мы предполагаем, что либо один партнер приобрел и сохранил иммунитет после неинфекционного контакта с вирусом, либо иммунитет был горизонтально передан между симбиотическими партнерами», — пояснили ученые.
Поливалентный характер взаимодействия хозяина и вируса в естественной среде и разнообразные способы взаимодействия помимо инфекции представляют собой важные соображения, поскольку исследователи переходят к использованию вирусов для биотехнологических и медицинских приложений, таких как вирусная терапия в естественных условиях, таких как кишечник.
«Эти взаимодействия вируса-хозяина в естественной среде показывают, что иммунитет может преодолевать большие филогенетические расстояния, что приводит к тому, что разные популяции вместе создают большую устойчивость к вирусам», — сказал Хван.
