Почти как живой

0   37   0

Биологические науки
14 апр. 19:00


58f0b9145f1be772ff21f626

Биологи обнаружили гигантский вирус, в геноме которого есть почти все необходимое для того, чтобы признать его живым.

В бассейне очистных сооружений австрийского города Клостернойбурга биологи обнаружили доселе неизвестный гигантский вирус, получивший название в честь города — клоснойвирус. И то, что нашли у него в геноме, наверняка вновь раздует пламя дебатов о том, достойны ли он и ему подобные вирусы места на древе жизни. «Чердак» поговорил с биологом Евгением Куниным о том, что же, собственно, поймали в сточной воде и почему это именно «что».

Первого «гиганта» нашли в 1992 году. В госпитале британского города Брэдфорд тогда случилась вспышка пневмонии, и медики пытались идентифицировать ее виновника, анализируя пробы воды из водонапорной башни неподалеку. Там они и обнаружили то, что приняли за грамположительный кокк, который они изолировали в культуре амеб Acanthaomoeba polypahaga. Патоген назвали Bradfordcoccus, попытались уточнить его происхождение, особо в этом не преуспели, и — спрятали в холодильник, где «бактерия» пролежала до конца века. Потом образец отправился в Университет Марселя, где его исследованием занялись Дидье Рауль и Бернар Ла Скола.

Те еще около года полагали, что продолжают иметь дело с бактерией, и все никак не могли добиться успеха в ее идентификации. В конце концов они решили рассмотреть не поддающуюся опознанию бактерию в микроскоп — и, к своему изумлению, увидели в теле амебы нечто, совершенно не похожее на, цитируем, «маленький грамположительный кокк». Это был огромный волосатый икосаэдр. Вирус. Гигантская неживая машина. Настолько большая, что ее — впервые за всю историю биологии — оказалось возможным разглядеть в оптический микроскоп.

Мимивирус под электронным микроскопом. Изображение: Eric Ghigo et al., 2008

Геном гостя из Брэдфорда, который для Рауля и Ла Сколы секвенировал биоинформатик Жан-Мишель Кловери, оказался еще более удивительным: 1,2 миллиона пар оснований — крупнее некоторых бактериальных геномов. 911 генов, кодирующих белки. И это при том, что некоторым вирусам достаточно всего четырех. Множество генов вообще были вирусологам в новинку, а кроме того, оказалось, что мимивирус — так французы назвали открытое ими чудо — обладал несколькими генами, до того считавшихся характерными только для живых организмов: генами, участвующими в синтезе белка, кусочками системы трансляции. Гигантская паразитирующая машина оказалась чуть-чуть живой.

На этом воодушевленные исследователи не остановились. Рауль несколько лет спустя обнаружит в парижской водонапорной башне еще одного гиганта, мамавирус, а на нем вирофага (именно так: вирус вируса), которого назовет Спутником. Кловери обнаружит в Тихом океане мегавирус, в чилийской реке и австралийском пруду — пандоравирус, а в сибирской 30-тысячелетней мерзлоте — питовирус совершенно невообразимых размеров даже на фоне других гигантов — полтора микрометра в длину!

Тогда же начинаются спекуляции. Зачем гигантским вирусам гены, имеющие отношение к системе трансляции? Вирусам эта система ни к чему. Они — паразиты и для синтеза своих молекул пользуются инструментами клетки-хозяина. Может ли статься, что мы имеем дело с какими-то «не такими» вирусами? Не значит ли это, что у их древнего предка система трансляции была целиком? Не достойны ли на этом основании гигантские вирусы своей ветки на древе жизни? Рауль и Ла Скола опубликовали статью, в которой представили свою версию того, как следует строить древо жизни, и поселили крупные ядерно-цитоплазматические ДНК-содержащие вирусы где-то между эукариотами и археями.

Древо жизни по версии Рауля и Ла Сколы. Изображение: Mickaël Boyer et al., 2010. Перевод: «Чердак»

— Я совершенно уверен, что в самое ближайшее время, уже на следующей неделе (мы говорили с Евгением 5 апреля — прим. «Чердака»), появится их (Рауля, Ла Сколы, Кловери и их единомышленников) комментарии в печати. Сначала интервью, потом научные публикации, в которых они будут говорить: их замечательная идея о существовании четвертого домена жизни наконец подтверждена окончательно и бесповоротно, — говорит Евгений Кунин, один из соавторов статьи о клоснойвирусе. — Ну, а как же иначе? Сбывается их мечта: наконец-то нашли вирус, у которого чуть ли не полностью есть система трансляции!

Иронию Кунина можно понять: он уже не первый год находится по другую сторону баррикад в этом споре. И если на первый взгляд его последняя статья может показаться оправдывающей чаяния Рауля и других борцов за 4-й домен, то на самом деле, считает Кунин, все совсем наоборот.

Давайте для этого повнимательнее поглядим на нового участника этого сюжета и поймем, что мы уже о нем знаем.

Сточные воды Клостернойбурга

Есть богатые экосистемы, есть бедные. Если вы будете брать пробы в Мертвом море, то найти там гигантский вирус у вас вряд ли получится. Другое дело — сточные воды: это среда очень «вкусная» для микроорганизмов. И, соответственно, «вкусная» и для их хищников. Поэтому, чтобы наловить образцов для изучения, микробиологи нередко отправляются к подобным водоемам на метагеномическую рыбалку.

Бассейн очистных сооружений Клостернойбурга, Австрия. Фото: Marton Palatinszky

— Ну, если вам нужны метафоры, то отметьте, что удочки берутся только для конспирации, — поясняет Кунин, — а реально используется взрывчатка. Вы, так сказать, убиваете всю рыбу и потом уже ее перебираете. Берется капля грязной вонючей воды и секвенируется со страшной силой, так чтобы любая молекула ДНК там отсеквенировалась много раз. Когда мы ее секвенируем, ДНК определенным образом ломается, дробится. Потом мы начинаем ее анализировать, находить перекрытия в ее кусочках. А когда эти перекрытия длинные, а еще и повторяются не один раз, мы имеем право объединить эти сегменты. Если достаточно долго и упорно секвенировать, то можно собирать целые геномы, и не только такие, как у этих вирусов, но и те, что побольше.

Именно в метагеноме сточной австрийской воды ученые набрали достаточное количество генного материала, чтобы собрать геномы четырех гигантских вирусов, каждый из которых больше, чем все прежде известные, напоминает клеточную жизнь. Кунин начинает с того, что заранее отвечает на вопрос, который ему в последние дни постоянно задают журналисты: вероятно ли, что собранные им и его коллегами из осколков генома вирусы — не более чем рукотворные химеры?

— Какие-то неточности в сборке могут быть, конечно. Но если они и есть, то небольшие, потому что это делалось очень тщательно. Мои коллеги проводили секвенирование с очень большой глубиной, выделялись надежные совокупности последовательностей с определенной частотой нуклеотидов, что свидетельствует об их происхождении из одного генома. Но что еще важнее, эти геномы содержат то, что нужно, и в нужном числе копий, а ненужного — не содержат. Так что пусть тот, кто считает, что это химера, посчитает вероятность того, что это произошло случайно, — тогда и поговорим.

Корень древа жизни

Чтобы считаться полноправным обладателем системы трансляции, наиболее крупному из четырех, клоснойвирусу, не достает буквально нескольких генов. В частности, он может взять на себя синтез 19 из 20 деталей механизма, который вообще позволяет организмам собирать белки из аминокислот — аминоацил-тРНК-синтетазы, может сделать 12 из 13 ферментов, необходимых для «смазки» этой процедуры, трансляции. А если рассматривать всю четверку, то в сумме у этой группы система трансляции есть целиком. В то же время у всех прочих гигантских вирусов этих генов в разы меньше (см. схему), не говоря уж об их «малых» собратьях, лишенных этой машинерии.

Гены, относящиеся к системе транскрипции в геноме гигантских вирусов. Жирным выделены гены, которые предположительно были захвачены в древности или у неизвестного хозяина. Источник: Frederik Schulz et al., 2017. Изображение: «Чердак»

Почему это важно?

— Трансляция — это священный Грааль такой, — объясняет Кунин. — Это то, что характерно для всей клеточной жизни, то, что наиболее консервативно. Когда вы начинаете смотреть, что является универсальным для всей клеточной жизни: бактерий, архей, эукариотов, — дело сводится к системе трансляции. Ну, с очень небольшими добавлениями. Так что это великое дело, именно на основе этой последовательности строится древо жизни. И когда их нашли у вирусов, это была сенсация, и тут же вирусы воткнули в древо жизни, обрадовались. Интерпретировали результаты совершенно неправильно. Надо заметить, что, вообще говоря, это, конечно, удивительное наблюдение, но нельзя сказать, что совершенно беспрецедентное. Многие бактериофаги (вирусы бактерий — прим. «Чердака») кодируют некоторое количество транспортных РНК. Есть вирусы, которые кодируют некоторые трансляционные факторы. Тут разница все-таки скорее количественная, чем качественная. Но эта разница, конечно, большая.

Усложнение, а не упрощение

Разница между теми, кто ратует за введение четвертого домена, и их оппонентами заключается в том, в какую, по их мнению, сторону двигаются гигантские вирусы в ходе своей эволюции. Кто-то, как Рауль, полагает, что это наследники древних исполинов, деградировавшие к сегодняшнему дню до такого состояния, в котором их даже нельзя назвать живыми. В то время как его оппоненты, наоборот, видят историю гигантских вирусов как историю усложняющихся систем.

И в этой оппозиции обнаружение клоснойвируса действительно многое меняет: филогенетический анализ его генома иллюстрирует правоту второй позиции. Кунин и коллеги демонстрируют, что все гены, имеющие отношение к почти-что-системе-трансляции клоснойвируса имеют эукаритическое происхождение, то есть когда-то были позаимствованы у по-настоящему живых существ. И, что самое главное, взяты эти гены были у разных хозяев и в разные периоды, подчеркивает Кунин:

— Когда мы реконструируем эволюцию этих вирусов, становится ясно, что все эти гены приобретены в разное время. Есть такие, которые приобретены очень давно, общим предком мимивирусов и клоснойвирусов. Другие приобретались в начале эволюции именно клоснойвирусами. Третьи вообще приобретались индивидуально.

Иными словами, удивительная «полноценность» открытых в Австрии вирусов — не свидетельство в пользу существования на заре времен их по-настоящему живого предка, а наглядная демонстрация того, как усложнялись простые системы. Мы не нашли хорошо сохранившегося древнего вампира, но, напротив, повстречались с еще более совершенным чудищем Франкенштейна, которое продолжало пришивать к себе все более новые заплатки. Поэтому в клостернойбуржском гиганте биолог усматривает совсем иную ценность, никак не связанную с желанием перерисовать древо жизни, чтобы добавить на него новую ветвь:

— Они (клоснойвирусы) явно любят эту самую систему трансляции, она им нужна. Почему? Судить нелегко.

Мы, в сущности, удивительно мало знаем о внутриклеточной жизни амеб, как и прочих одноклеточных эукариотов.

— Видимо, когда их заражает вирус, они «забивают» собственную трансляцию — так сказать, жертвуют собой, чтобы вирус не мог размножаться. И чтобы вирусу с этим справляться, ему нужна своя система. Он заставляет их еще некоторое время продержаться, чтобы размножиться. Это, в общем-то, типичная стратегия для вируса. Поэтому ценность нашего открытия, она не про новый домен жизни, она в первую очередь натуралистическая. Что дальше? Ну, давайте я не буду читать лекцию о том, зачем нужна фундаментальная наука… Конечно, было бы очень любопытно разобраться, экспериментально выяснить, как эти гигантские вирусы взаимодействуют со своими хозяевами-эукариотами. Чтобы узнать точно, какая именно им выгода от того, чтобы носить с собой эти гены трансляции. Хотя я не сильно надеюсь, что мы скоро это узнаем — не так уж много лабораторий и уж тем более не так много денег есть в этом мире на то, чтобы исследовать подобные системы.


Автор: Иван Шунин

Источник: chrdk.ru


0

Для лиц старше 18 лет