С ДНК, почти полностью направленной на репликацию, недавно открытый микроорганизм стирает грань между клетками и вирусами.
Недавно обнаруженный микроорганизм, временно получивший название Sukunaarchaeum, не является вирусом. Но, как и вирусы, он, по-видимому, имеет одну цель: размножаться. Насколько ученые могут судить по его геному — единственному доказательству его существования на данный момент — это паразит, который не дает ничего одноклеточному существу, в котором он обитает. Большинство из 189 белковых кодирующих генов Sukunaarchaeum сосредоточены на репликации собственного генома; все остальное, что ему нужно, он должен красть у своего хозяина Citharistes regius, динофлагеллята, обитающего в океанских водах по всему миру. Добавляя загадочности этому микробу, некоторые из его последовательностей идентифицируют его как архея, род простых клеточных организмов, более близких к сложным организмам, таким как мы, чем к бактериям, таким как Escherichia coli.
Открытие странного, вирусоподобного образа жизни Sukunaarchaeum, о котором в прошлом месяце сообщено в препринте bioRxiv, «ставит под сомнение границы между клеточной жизнью и вирусами», говорит Кейт Адамала, синтетический биолог из Университета Миннесоты, которая не участвовала в этой работе. «Этот организм может быть увлекательным живым ископаемым — эволюционным промежуточным звеном, которому удалось выжить».
Sukunaarchaeum был обнаружен случайно. Исследователи из Университета Цукуба (Япония) пытались секвенировать всю ДНК внутри клеток C. regius, поскольку было известно, что этот динофлагеллят является хозяином симбиотических цианобактерий. Однако наряду с ожидаемой ДНК динофлагеллят и цианобактерий, а также геномами того, что, возможно, было бактериальными паразитами, они обнаружили странную кольцевую ДНК длиной всего 238 000 пар оснований, что составляет всего 5% от длины генома E. coli. «Сначала мы предположили, что этот крошечный кольцевой геном может быть каким-то артефактом», — рассказывает эволюционный микробиолог Такуро Накаяма. Но когда Накаяма и его коллеги использовали несколько методов для секвенирования и сборки генома, они постоянно сталкивались с этой ДНК-петлей. Исследователи были вынуждены прийти к выводу, что внутри C. regius живет какое-то другое существо, по-видимому, архей.
С явной неспособностью жить вне своего хозяина и с геномом, размер которого меньше половины генома наиболее маленькой археи, Sukunaarchaeum — пока еще неофициальное название, вдохновленное Sukuna-biko-na, божеством маленького роста из японской мифологии — не похож ни на одну из известных архей. Он не претендует на звание самого маленького микробного генома, которое принадлежит бактерии, живущей в насекомых, питающихся соком растений, геном которой составляет всего 160 000 пар оснований. Однако эта бактерия-рекордсмен содержит гены, кодирующие молекулы, полезные для ее насекомых-хозяев.
Напротив, по словам Накаямы, Sukunaarchaeum практически не имеет «всех узнаваемых метаболических путей». Это означает, что он, вероятно, не может самостоятельно производить необходимые молекулы, такие как аминокислоты, из которых состоят белки, или нуклеотиды, из которых состоит ДНК, что позволяет предположить, что этот микроорганизм находится в «паразитических или односторонних эксплуататорских отношениях» со своим хозяином-динофлагеллятом. Он добавляет, что как и вирусы, Sukunaarchaeum «почти полностью зависит» от клеточного механизма C. regius.
Однако Sukunaarchaeum отличается от вирусов одним заметным признаком: он может реплицировать свой собственный генетический материал. Обычно вирусы должны захватывать своих хозяев, чтобы размножаться. Но почти все идентифицированные гены Sukunaarchaeum участвуют в репликации, транскрипции и трансляции ДНК. Тем не менее, Накаяма говорит, что «интенсивная ориентация микроба на саморазмножение, даже за счет почти всех метаболических способностей, напоминает вирусные стратегии». Биолог из Университета штата Сан-Диего Элизабет Уотерс, которая входила в группу, опубликовавшую в 2003 году геном первого архейного паразита, который крадет у другой археи, с которой он растет, не совсем уверена, что Sukunaarchaeum является вирусом в стадии развития. «Это возможно немного преувеличено», — считает она, хотя «если это правда, то это потрясающе». Несмотря на это, она отмечает, что этот микроорганизм «очарователен», и считает, что Sukunaarchaeum позволит провести интересные фундаментальные исследования эволюции геномов.
Адамала добавляет, что если Sukunaarchaeum действительно представляет собой микроорганизм, находящийся на пути к превращению в вирус, он может рассказать ученым о том, как появились первые вирусные организмы. «Большинство величайших переходов в эволюции не оставили после себя ископаемых следов, что очень затрудняет выяснение точных этапов», — говорит она. «Мы можем изучать существующую биохимию, чтобы попытаться воссоздать формы предков, — или иногда мы получаем подарок от природы в виде сохранившегося эволюционного промежуточного звена».
Уже сейчас ясно, что Sukunaarchaeum не одинок. Когда Накаяма и его коллеги проанализировали общедоступные последовательности ДНК, извлеченные из морской воды по всему миру, они обнаружили множество последовательностей, похожих на последовательности Sukunaarchaeum. «Тогда мы поняли, что нашли не просто один странный организм, а первый полный геном большой, ранее неизвестной архейской линии», - говорит Накаяма.
Сейчас специалисты пытаются сфотографировать Sukunaarchaeum: это непростая задача, учитывая, что его размеры, вероятно, намного меньше 1 микрона в ширину. Исследуемый Уотерсом архейный паразит, геном которого более чем в два раза превышает геном Sukunaarchaeum, имеет размер всего 400 нанометров в поперечнике. Исследователи также пытаются выяснить, как эта группа связана с другими археями - есть ли у них , например, близкие свободноживущие родственники, - и определить, что именно делают белки микроба, включая несколько огромных, связанных с мембраной, которые могут отвечать за то, как он взаимодействует со своим хозяином. Для Адамалы эта находка - напоминание о том, как много еще предстоит открыть.
«Эта работа подчеркивает, насколько безумна, прекрасна и все еще малоизученна биология»,
- отмечает она.
