Бактеріофаги беруть участь у планетарному круговороті сірки

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 68

Гідротермальні поля рифтової зони басейну Лау (Lau Basin) з трубами курців: глибина 1800 м, температура близько 260 ° C. Звідси були взяті проби для метагеномного аналізу. Фото з сайту news.harvard.edu

Вивчивши проби, що містять сероокисляючі бактерії SUP05, вчені виявили у складі їхніх геномів вірусні ДНК. Дивно, що з 18 типів вірусних ДНК в 15-ти містилися ферменти, що беруть участь в окисленні сірки. Як з’ясувалося, цей елемент геному віруси придбали давно, зберегли його у своєму генетичному господарстві і використовують, щоб змусити бактерій активно витрачати свої енергетичні запаси на тиражування вірусних ДНК. Сума даних щодо вірусних геномів свідчить про масштабність подібного явища: віруси запозичують у бактерій гени, що регулюють енергетичний обмін, і використовують їх в егоїстичних цілях. Еволюцію цих генів і їх трансдукцію доводиться розглядати з урахуванням цього широко поширеного явища.

Американські вчені з Мічиганського і Міннесотського університетів вивчали бактеріальні спільноти глибоководних гідротерм (їх ще називають «чорними курцями»). З середини XX століття, коли був відкритий цей відокремлений світ, бактеріальне населення «чорних курців» — головний енергогенератор цієї біосистеми — став традиційним предметом пильної уваги вчених. Адже саме бактерії, що окисляють різні типи сірчаних сполук (а також метану, заліза та ін.), становлять більшу частину первинної продукції «чорних курців». Однак, незважаючи на постійні активні дослідження, світ «чорних курців» справно поставляє дивовижні відкриття.

У цьому дослідженні вчених займали бактерії SUP05, родинні гамма-протеобактеріям (Gammaproteobacteria), які спеціалізуються на окисленні сірки (про SUP05 див. у статті: K. T. Marshall & R. M. Morris, 2012. Isolation of an aerobic sulfur oxidizer from the SUP05/Arctic96BD-19 clade). SUP05 є найбільш масовим елементом мікробіоти «чорних курців». Загалом сіробактерії «чорних курців» постачають у глибоководні екосистеми кількість органіки, порівнянна з продукцією фотичної зони, тому інтерес до SUP05 цілком виправданий.

Вчені порівнювали геноми SUP05 з шести точок глибоководних рифтових зон: 5 проб — з басейну Лау (Lau Basin), де відоме активне гідротермальне поле, шоста — з гідротермів Гуаймас (Guaymas Basin) у Каліфорнійській затоці.

У геномах SUP05 з усіх шести проб виявилися вірусні ДНК — всього 18 різних вірусів. Саме по собі це в порядку речей: найбільш масовий організм зазвичай буває заражений паразитами, в даному випадку бактеріофагами. У випадку з SUP05 вчених здивувало інше. У 15-ти з 18 типів бактеріофагів знайшлися гени особливого ферменту (rdsr, reverse dissimilatory sulfite reductase — дисиміляційної сульфітредеолог ази; див. детальніше у статті F. Grimm et al., 2009. Regulation of dsr genes encoding proteins responsible for the oxidation of stored sulfur in Allochromatium vinosum), що бере участь в окисленні елементарної сірки. Виходить, що більшість цих глибоководних паразитів запаслися молекулярними інструментами для окислення сірки. Навіщо вони вірусам? Окисленням сірки віруси не займаються. Завдання вірусу — скопіювати свою ДНК і білки свого вірусного капсида, потім впровадитися в наступного господаря.

Порівняння генетичних послідовностей показало, що гени вірусних ферментів не схожі на гени аналогічного ферменту у бактерій-господарів. Це означає, що вони не були отримані в результаті недавньої рекомбінації або запозичення. Віруси їх придбали порівняно давно і утримували так чи інакше у своєму геномі: очевидно, цей додатковий генетичний вантаж сприяв їх розмноженню. Оскільки цей фермент бере участь у процесі, за рахунок якого клітина SUP05 отримує енергію, то вигода від цього «довіска» для вірусу очевидна. Вірус, впровадившись в клітку, змушує бактерію почати активно використовувати свої запаси сірки, виробляти додаткову енергію і витрачати її на транскрипцію ДНК, в тому числі і вірусної ДНК. Іншими словами, бактерія виявляється змушена тиражувати вірусну ДНК.

Схема окислення сірки бактерією SUP05. Відзначено тільки основні ферменти цього каскаду — сульфід-хінон оксиредáаза (sqr), сероокисляючий комплекс (sox), дисиміляційна сульфітредáаза (rdsr), АФС-редуктаза (apr), АТФ-сульфурилаза (sat). Сірий прямокутник показує ділянку, на якій працює вірусний фермент rdsr. Схема з обговорюваної статті в Science

Подібний вірусний диктат був зареєстрований і для ціанобактерій, що мешкають у фотичній зоні. Їхні бактеріофаги заволоділи ферментами, що контролюють фотосинтез (psbA і psbD). У результаті віруси можуть змусити вмираючу клітку постачати енергію, навіть якщо фотосинтетична система вже пошкоджена. Як з’ясувалося при дослідженні вірусів поверхневих шарів океану, більшість вірусів мають ферменти, що беруть участь у фотосинтезі. Так, близько 60% генів psbA, що виявляються при метагеномному аналізі поверхневих вод, належать вірусам (про гени psbA див. детальніше в статті: P. Mulo et al., 2009. Cyanobacterial psbA gene family: optimization of oxygenic photosynthesis).

Складені разом дані по вірусах поверхневих вод і глибоководних курців вказують на величезну ймовірність трансдукції і специфічної еволюції генів, що беруть участь в енергетичному метаболізмі. Ці гени не просто випадково причіпляються до вірусної ДНК і переправляються новим господарям. Навпаки, вони з великою ймовірністю присутні біля вірусів, навмисне зберігаються ними і видозмінюються на догоду потребам вірусів, а не бактеріальних користувачів енергетичних систем. З цих позицій еволюція багатьох бактеріальних генів і темпи горизонтального перенесення виглядають зовсім по-іншому.

Джерело: K. Anantharaman, M. B. Duhaime, J. A. Breier, K. A. Wendt, B. M. Toner, G. J. Dick. Sulfur Oxidation Genes in Diverse Deep-Sea Viruses // Science. 2014. V. 344. P. 757–760.

Олена Наймарк