В бескрайних просторах океана и глубоко в сибирской вечной мерзлоте обитают гиганты — не голубые киты и мамонты, а гигантские вирусы.
В 2003 году Жан-Мишель Клавери сделал открытие в области бактериальной геномики, которое изменило траекторию его карьеры и положило начало новой эре в микробиологии. “Однажды мы обнаружили очень странного зверя, которого никто не мог охарактеризовать, - рассказывает Клавери, ныне биоинформатик на пенсии из Университета Экс-Марсель (Франция). - Он не реагировал на обычные тесты на бактерии”.
Этот "зверь", выросший в организме амебы-хозяина, был выделен из градирни в Англии после вспышки пневмонии десятилетием ранее. Он выглядел и действовал как паразитическая бактерия, однако его нельзя было извлечь с помощью каких-либо обычныных протоколов или амплифицировать с помощью универсальных бактериальных праймеров на 16S рДНК. Только после того, как Клавери и его коллеги исследовали его под мощным электронным микроскопом, они поняли, что это была вовсе не бактерия, а огромный вирус. “Это изменило мою жизнь”, - вспоминает Клавери.
Названный мимивирусом за то, что он имитировал амебу, он имел икосаэдрический капсид диаметром около 400 нанометров - намного больше, чем у обычных вирусов, что делало его неспособным проходить через стерилизующие фильтры толщиной 0,2 микрона. Его геном тоже был огромен и состоял из 1,2 мегабаз двухцепочечной ДНК. Исследователи сразу же задались вопросом, было ли это причудой природы или же эти гигантские вирусы скрывались на самом видном месте. Они начали искать и медленно, но верно вселенная гигантских вирусов начала расширяться.
Сейчас, спустя более 20 лет после их первоначального открытия, эти таинственные микроорганизмы продолжают озадачивать и очаровывать как ученых, так и общественность. Очевидно, что гигантские вирусы многочисленны и разнообразны: исследователи находили их в бескрайних просторах океана, погребенными в сибирской вечной мерзлоте, в бразильской Амазонии, а также в лесах, озерах и реках по всему земному шару. Но когда дело доходит до биологии и эволюции гигантских вирусов, вопросов по-прежнему гораздо больше, чем ответов.
Гигантские вирусы в океане
Интерес морского микробиолога Мохаммеда Монируззамана возрос, когда его научный руководитель обнаружил гигантские вирусы, поражающие океанические водоросли. “Я был очень удивлен, увидев эти гигантские вирусы”, - рассказывает он. “У них сотни килобаз генома и от сотен до тысяч генов. Это меня действительно поразило”. Сейчас в своей собственной лаборатории в Университете Майами Монируццаман продолжает изучать гигантские вирусы в морских экосистемах и то, как они влияют на своих хозяев.
Как оказалось, гигантские вирусы в океане играют ключевую роль в морской пищевой сети; заражая фотосинтезирующий фитопланктон и простейших, они способствуют поглощению углерода в океане, обеспечивая так называемый вирусный шунт. “Если эти микробы уничтожаются вирусами, углерод, который они содержат, опускается на дно океана и становится недоступен в качестве пищи для организмов [более высокого уровня]”, - объяснил Клавери. На самом деле, каждый день вирусы убивают около трети планктона в океане. Без них, добавил Клавери,
“менее чем через одну-две недели океан будет похож на суп из шпината”.
Монируццаман и его коллеги недавно идентифицировали и секвенировали геномы более 200 новых гигантских вирусов, которые они выделили из различных мест в мировом океане. “Всего в одном конкретном месте мы можем обнаружить их сотни и даже больше”, - сказал Монируззаман. Он добавил, что их недавняя работа показала, что “мы выделили более 500 почти полных геномов гигантских вирусов из одного образца в океане”.
По мнению Клавери, гигантские вирусы настолько распространены, что он и его коллеги просто перестали пытаться выделить и упорядочить геномы отдельных вирусов. Вместо этого исследователи сосредоточились на молекулярной биологии гигантских вирусов и способах их репликации. Чтобы исследовать взаимоотношения между гигантскими вирусами и их хозяевами, группа Монируццамана изучает их в культурах, заражая водоросли и изучая молекулярную биологию этих взаимодействий. “[Мы] действительно хотим понять, что происходит на наноуровне, чтобы иметь возможность [делать выводы] об исходах инфекции”, - пояснил Монируззаман. “Какие питательные вещества высвобождаются, когда вирус заражает клетку? Как это влияет на физиологию организма-носителя?”
Опасны ли гигантские вирусы?
Временами исследования Клавери заходили в тупик. В 2012 году он прочитал статью, в которой описывалось выращивание плодородных растений из жизнеспособных семян, найденных в окаменевших беличьих норах, скрытых в вечной мерзлоте Сибири. Клавери пришла в голову безумная идея. “[Я подумал] ‘если эти ребята способны оживить растение, мы должны быть в состоянии оживить сам вирус". И успешно выделил два гигантских вируса. Невероятно, но даже после ледяных эпох эти древние вирусы смогли возродиться и заразить своих амебообразных хозяев. Внимание средств массовой информации было значительным и гигантский вирус Pithovirus sibericum, которому 30 000 лет, вскоре стал известен как "вирус зомби’. Впоследствии Клавери и его коллеги собрали и протестировали еще больше образцов. “Каждый отдельный образец, который мы брали, мог дать нам новый вирус”, - рассказал он. Старейшему зомби-вирусу, возрожденному командой Клавери, 50 000 лет, и в настоящее время они работают с образцами, возраст которых насчитывает 300 000 лет.
Возрождение зомби-вирусов вызвало обеспокоенность общественности. Однако, по словам Клавери, опасения, связанные с этим исследованием, были излишними. Он объяснил, что его группа работает только с гигантскими вирусами, которые инфицируют амеб, чтобы снизить риск любых вспышек заболеваний среди людей. По словам Клавери, реальная опасность заключается в последствиях изменения климата и других антропогенных факторах — вечная мерзлота с каждым годом тает все сильнее, а также ведутся активные работы по добыче ценных минералов. “Если [гигантские вирусы, заражающие амеб] могли так долго выживать в вечной мерзлоте, то и другие вирусы также смогут выжить”, - отмечает он.
Используя метагеномный подход, Клавери и другие ученые выявили множество родственников современных патогенов человека, скрывающихся в вечной мерзлоте, включая поксвирусы и герпесвирусы. Российские исследователи недавно сообщили, что они пытаются извлечь из вечной мерзлоты вирусы, способные заражать мамонтов. “Я не думаю, что это хорошая идея”, - сказал Клавери.
Дискуссия об эволюции гигантских вирусов
Другим ключевым аспектом исследований Монируццамана является эволюция гигантских вирусов — тема, по которой у него и Клавери есть противоречивые теории. Монируццаман и некоторые другие исследователи предполагают, что гигантские вирусы начали с малого размера и по пути приобрели гены. “[Другие исследователи] показали, что древний вирус-гигант не был таким большим”, - объяснил Монируззаман. “У них был базовый набор генов, и со временем они приобрели множество генов, которые постепенно превратили их в более крупные частицы”. Клавери категорически не согласен с этим. “На данный момент я считаю, что гигантские вирусы появились путем сокращения”, - считает он. “Они произошли от организмов, которые на самом деле были даже крупнее по количеству генов, чем они есть на самом деле. И, как и все паразиты, они со временем теряли гены”.
Недавние исследования могут подтвердить менее популярную теорию Клавери. Особенность, которая отличает вирусы от эукариотических клеток, заключается в том, что у них нет механизма трансляции белков. Однако, несмотря на отсутствие у них рибосом, некоторые гигантские вирусы обладают генами, которые кодируют важные механизмы трансляции белков, такие как аминоацил-переносящие РНК-синтетазы. “Для меня это реальный признак механизма редукции, то есть того, что гигантские вирусы теряют гены, потому что они им не нужны”, - прокомментировал Клавери.
Клавери и Монируццаман сходятся во мнении, что гигантские вирусы - это воришки. “Они действительно забирают гены у своих хозяев”, - пояснил Монируццуман, добавив, что они “считают, что эти вирусы на самом деле используют эти гены для манипулирования определенными метаболическими путями или процессами хозяина во время заражения. Наличие копии той же функции, что и у хозяина, иногда помогает вирусу, скажем, преодолеть определенное метаболическое препятствие или подавить какой-либо иммунный ответ хозяина”.
Еще больше секретов скрыто в гигантских вирусных геномах
Ключевым фактором, который делает изучение эволюции гигантских вирусов таким сложным, является то, что их геномы очень разнообразны. “Когда мы обнаружили первый вирус, я думаю, что число генов, которые не имели абсолютно ничего общего ни с чем, включая гены [эукариот], было близко к 90%”, - сказал он. Используя программу AlphaFold, исследователи выявили некоторые предполагаемые белки из геномов гигантских вирусов, но большинство генов остаются загадкой.
Некоторые гигантские вирусы, такие как вирусы Пандоры, обнаруженные группой Клавери в Австралии, могут даже создавать гены de novo. “То есть, есть некодирующая ДНК, и вирусы удаляют стоп-кодон, внезапно становится возможным его трансляция, и они получают сумасшедший белок, который ничего не делает [сразу]”, - сказал Клавери. “Но затем эти вещи начинают эволюционировать и некоторые из них стабилизируются в процессе эволюции, начиная выполнять определенную функцию”.
По мнению Клавери, таинственные геномы гигантских вирусов могут быть настоящей сокровищницей; вирусы используют те же строительные блоки, что и эукариотические клетки, но могут каким-то образом биохимически манипулировать ими, производя молекулы, которые полностью отличаются от тех, которые создаются эукариотическими клетками. “На самом деле, это могло бы стать фантастическим подспорьем для инноваций в фармацевтической промышленности, но я не думаю, что они это еще осознают”, - отметил он.
Исследование Монируццаманом геномов гигантских вирусов также принесло некоторые интригующие результаты. В одном из исследований он продемонстрировал, что гигантские вирусы могут полностью интегрировать свои геномы в геномы своих хозяев. Что еще более интересно, по словам Монируццамана, некоторые из интегрированных элементов действительно могут приносить пользу хозяину, реагируя на специфические факторы внешней среды, такие как температура и ультрафиолетовое излучение. “Это говорит о том, что вирусы могут поддерживать дружественные отношения со своими хозяевами”, - добавил он.
Недавний всплеск разногласий о гигантских вирусах возник после того, как группа китайских исследователей предположила, что некоторые гигантские вирусы могут быть резервуаром генов устойчивости к антибиотикам. Утверждение было быстро опровергнуто, после чего китайские авторы дали отпор, настаивая на том, что их первоначальные утверждения были правильными. Монируззаман вмешался в дискуссию и сказал, что проблема носит онтологический характер. “Конечно, гигантские вирусы невозможно убить с помощью антибиотиков, поэтому [гены устойчивости к антибиотикам] ничего не могут сделать. В них могут быть гомологичные гены, но эти гены не обязательно выполняют одну и ту же функцию”.
Клавери добавил, что беспокоиться следует не о гигантских вирусах, потому что метагеномные исследования образцов вечной мерзлоты показали, что древние бактерии чрезвычайно богаты генами устойчивости к антибиотикам. ‘При таянии поверхностного слоя вечной мерзлоты это может привести к высвобождению бактерий, несущих эти гены и эти старые гены устойчивости могут на самом деле распространяться современными бактериями”, - считает он.
