新發現的巨大噬菌體（紅色）與正常噬菌體。圖片來源：Jill Banfield
噬菌體是一種專門破壞細菌的病毒，它們基本存在於任何有生命的地方。比如，有數十億的它們就在我們的手上、腸道以及眼瞼中。它不算作有生命，也不能說是無生命的。
2月13日，發表在《Nature》上的一項研究中，美國加州大學伯克利分校領導的研究團隊發現了數百種異常大的噬菌體。它們具有某些通常與活體生物相關的能力，該發現進一步模糊了其生命與非生命之間的界線。
這些噬菌體的大小和複雜性達到了生命體的典型特徵，它們攜帶著大量通常在細菌中發現的基因，並利用這些基因來對付其細菌宿主。
該研究團隊通過搜索他們從近30種不同地球環境產生的大型DNA資料庫，發現了這些巨大的噬菌體。這些環境從早產兒和孕婦的腸道到西藏的溫泉、南非的生物反應器、病房、海洋、湖泊和地下深處。
他們總共確定了351個不同的噬菌體基因組，所有噬菌體的基因組都比以單細胞細菌為食的病毒基因組平均大四倍以上。
其中有迄今為止發現的最大噬菌體，其基因組長達735000個鹼基對，幾乎是普通噬菌體的15倍。這個已知最大的噬菌體基因組比許多細菌的基因組都要大得多。
該研究通訊作者、加州大學伯克利分校地球與行星科學以及環境科學、政策和管理學教授said Jill Banfield說：「我們正在探索地球上的微生物群，有時會出現意想不到的事情。這些細菌病毒是生物學的一部分，能複製實體，但我們對它們卻知之甚少。這些巨大噬菌體架起了無生命噬菌體與細菌和古細菌之間的橋梁。這些傳統病毒和活體生物的混合體看來一定是有一些成功的生存策略。」
具有諷刺意味的是，這些巨大的噬菌體所攜帶的DNA正是細菌用來對抗病毒的CRISPR系統的一部分。一旦這些噬菌體將其DNA注入細菌，病毒CRISPR系統就會增強宿主細菌的CRISPR系統，這可能主要針對其他病毒。
研究第一作者、加州大學伯克利分校的研究生Basem Al-Shayeb說：「有趣的是，這些噬菌體重新利用我們認為屬於細菌或古細菌的系統，使其自身在競爭中受益，以在與其他病毒的戰爭中獲得優勢。」
新型Cas蛋白
其中一種巨大的噬菌體還能夠製造一種與Cas9蛋白類似的蛋白質，該蛋白是世界傑出女科學家Jennifer Doudna和她的歐洲同事Emmanuelle Charpentier（兩人獲得了以色列2020年沃爾夫醫學獎）改造CRISPR-Cas9的一部分。Banfield的研究團隊將這種微小的蛋白質稱為Cas，因為希臘字母（讀作phi）在傳統上被用來表示噬菌體。
Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna
Sachdeva說：「在這些巨大噬菌體中，很可能存在用於基因組工程的新工具。我們發現的許多基因都是未知的，我們不了解其功能，它們可能是工業、醫學或農業應用中新蛋白質的來源。」
除了為噬菌體和細菌之間不斷的戰爭提供新的見解外，這一新發現還對人類疾病產生了影響。通常，病毒在細胞間攜帶基因，包括賦予抗生素耐藥性基因。而且由於噬菌體會出現在細菌和古細菌生活的任何地方，包括人類腸道微生物組，所以它們可以將有害基因帶入人體內的細菌。
Banfield說：「有些疾病是由噬菌體間接引起的，因為噬菌體圍繞著參與發病和抗生素耐藥性的基因移動。而且基因組越大，在這類基因周圍移動的能力就越強，向人類微生物組的細菌傳遞不良基因的可能性就越大。」
為地球上的生物群測序
15年來，Banfield一直在探索細菌、古細菌以及地球上不同環境中噬菌體的多樣性。 她通過對樣本中的所有DNA進行測序，然後將這些片段拼接在一起，組裝出草圖基因組。在某些情況下，還可以對從未見過的微生物的基因組進行完全整理。
在這個過程中，她發現許多新的微生物具有極其微小的基因組，似乎不足以維持獨立的生命。相反，它們似乎依賴其他細菌和古細菌生存。
一年前，她報告說，在人腸道和口腔中發現了一些最大的噬菌體（Lak噬菌體），Lak噬菌體在那裡捕食腸道和唾液中的微生物。
這篇發表在《Nature》上的新論文是對Banfield積累的所有宏基因組序列再加上全球研究合作夥伴提供的新宏基因組中的巨大噬菌體進行了更徹底的探索。元基因組來自狒狒、豬、阿拉斯加麋鹿、土壤、海洋、河流、湖泊和地下水，還包括飲用砷汙染水的孟加拉國人。
圖片來源：Jill Banfield
該團隊確定了351個超過200kb的噬菌體基因組，是平均50Kb噬菌體基因組長度的四倍。他們能夠確定175個噬菌體基因組的確切長度，而其他的可能遠大於200kb。其中一個完整的基因組長達735000個鹼基對，它是目前已知的最大噬菌體基因組。
儘管這些巨大噬菌體中的大多數基因都編碼未知的蛋白質，但研究人員仍能夠鑑定出編碼對該機制至關重要蛋白（稱為核糖體）的基因。這類基因不存在於病毒中，通常僅存在於細菌或古細菌中。
研究人員發現了許多用於轉移RNA的基因。這些基因攜帶胺基酸到核糖體中並被整合到新的蛋白中，用於承載和調節轉運RNA（tRNA）蛋白質的基因、開啟轉譯的基因、甚至是用於核糖體自身片段的蛋白基因。
研究人員說：「通常情況下，是否擁有核糖體和進行轉譯的能力是區分生命與非生命的標準， 這是區分病毒和細菌、非生命和生命的主要定義特徵之一。一些大型噬菌體具有很多這種轉譯機制，因此它們使這條標準變得有些模糊。」
巨大噬菌體可能使用這些基因來重定向核糖體，它們以犧牲細菌蛋白為代價，製造更多自己的蛋白質副本。一些巨大噬菌體還具有其他的遺傳密碼，即編碼特定胺基酸的核酸三聯體，這可能會擾亂解碼RNA的細菌核糖體。
圖片來源：Nature
此外，一些新發現的巨大噬菌體攜帶了在各種細菌CRISPR系統中存在的Cas蛋白變體的基因，如Cas9、Cas12，CasX和CasY家族。一些巨大噬菌體也有CRISPR陣列（這是細菌基因組中存儲病毒DNA片段以備將來引用的區域），從而使細菌能夠識別返回的噬菌體，並驅動其Cas蛋白靶向並切割它們。
Banfield說：「總體結論是，具有大型基因組的噬菌體在地球的整個生態系統中都非常突出，它們並不是一個生態系統的特例，而與具有大基因組的噬菌體有關，它們都來自具有悠久歷史的大型基因組譜系。擁有大型基因組是一種成功的生存策略，而我們對這種策略所知甚少。」
參考文獻：
Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems
DOI: 10.1038/s41586-020-2007-4