科學家發現迄今為止最大噬菌體 基因組是普通噬菌體的15倍

科學家們發現了數百種異常巨大的殺菌病毒，它們的能力通常與活的有機體有關，從而模糊了活的微生物和病毒機器之間的界限。

這些噬菌體因「吃」細菌而得名，其大小和複雜性被認為是生命的典型特徵，它們攜帶著許多通常在細菌中發現的基因，並利用這些基因來對付它們的細菌宿主。

加州大學伯克利分校的研究人員及其合作者通過搜尋龐大的DNA資料庫來發現這些巨大的噬菌體，這些資料庫是從近30種不同的地球環境中產生的，這些DNA從早產兒和孕婦的內臟到藏族溫泉，南非生物反應器，病房，海洋，湖泊和地下深處。

他們一共鑑定出351種不同的巨型噬菌體，它們的基因組都比以單細胞細菌為食的病毒的平均基因組大四倍以上。

其中有迄今為止發現的最大噬菌體：它的基因組有73.5萬個鹼基對長，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大得多。

「我們正在探索地球的微生物群落，有時會出現意想不到的事情。這些病毒細菌是生物的一部分，能複製實體,，但我們對此知之甚少。」加州大學伯克利分校教授吉爾·班菲爾德說,他是地球和行星科學和環境科學、政策和管理但資深研究員，也是有關該發現的資深作者，該論文發表在2月12日在《自然》雜誌上。「這些巨大的噬菌體填補了非活體噬菌體與細菌和古菌之間的空白。看來肯定有一些成功的生存策略，它們是我們所認為的傳統病毒和傳統生物體的混合體。」

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。很有可能，一旦這些噬菌體將它們的DNA注入細菌，病毒的CRISPR系統就會增強宿主細菌的CRISPR系統，可能主要是針對其他病毒。

加州大學伯克利分校的研究生Basem Al-Shayeb說:「這些噬菌體如何重新利用我們認為是細菌或古細菌的系統，以使其自身受益於它們的競爭，促進這些病毒之間的戰鬥，這令人著迷。」Al-Shayeb和他的同事Rohan Sachdeva是《自然》雜誌上這篇論文的第一作者。

其中一種巨大的噬菌體還能製造出一種類似於Cas9蛋白質的蛋白質，該蛋白質是革命性工具CRISPR-Cas9的一部分，這一工具由加州大學伯克利分校的詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)和她的歐洲同事艾曼紐埃爾·查彭蒂爾(Emmanuelle Charpentier)為基因編輯而改造，兩人獲得了以色列2020年沃爾夫醫學獎。研究小組將這種微小的蛋白質稱為Cas ，因為希臘字母 或phi通常被用來表示噬菌體。

「在這些巨大的噬菌體中，有很大的潛力為基因組工程找到新的工具。」Sachdeva說，「我們發現的很多基因都是未知的，它們沒有假定的功能，可能是工業、醫療或農業應用的新蛋白質來源。」

除了為噬菌體和細菌之間不斷的戰爭提供新的見解外，這些新發現還對人類疾病產生了影響。病毒通常在細胞間攜帶基因，包括對抗生素產生耐藥性的基因。由於噬菌體出現在細菌和古菌生活的地方，包括人類腸道微生物群，它們可以把有害的基因帶到人類的細菌中。

「某些疾病是由噬菌體間接引起的，因為噬菌體會繞過與發病機理和抗生素抗性有關的基因。」班菲爾德說，「基因組越大，圍繞這些基因的移動能力就越大，並且能夠將不良基因傳遞給人類微生物群中細菌的可能性就越高。」班菲爾德也是創新基因組學研究所（IGI）微生物研究的負責人和CZ Biohub研究人員。

對地球生物群落測序

15年來，班菲爾德一直在探索細菌的多樣性，她說，古生菌是細菌和噬菌體在地球上不同環境中的迷人表親。她的方法是對樣本中的所有DNA進行測序，然後將片段拼接在一起，形成一張基因組草圖，或者在某些情況下，將從未見過的微生物的基因組完全整理好。

在這個過程中，她發現許多新的微生物都有極其微小的基因組，似乎不足以維持獨立的生命。相反，它們似乎依靠其他細菌和古生菌生存。

一年前，她報告說，一些最大的噬菌體，她稱之為Lak噬菌體，可以在我們的腸道和口腔中找到，它們以腸道和唾液中的微生物為食。

《自然》雜誌的這篇新論文對Banfield所積累的所有宏基因組序列中的巨型噬菌體進行了更深入的研究，並從全球的研究合作者那裡獲得了新的宏基因組。這些宏基因組來自狒狒、豬、阿拉斯加駝鹿、土壤樣本、海洋、河流、湖泊和地下水，其中包括一直飲用被砷汙染的水的孟加拉國人。

研究小組鑑定了351個噬菌體基因組，其長度超過200個鹼基，是平均噬菌體基因組長度50個鹼基的四倍。他們能夠確定175個噬菌體基因組的確切長度;其他的可能比200kb大得多。完整的基因組中有73.5萬個鹼基對，是目前已知最大的噬菌體基因組。

雖然這些巨大的噬菌體中的大多數基因編碼未知蛋白質，但研究人員能夠識別出編碼蛋白質的基因，這些蛋白質對核糖體這一機制至關重要，核糖體將信使RNA轉化為蛋白質。這種基因通常不存在於病毒中，只存在於細菌或古生菌中。

研究人員發現了許多轉移RNA的基因，這些轉移RNA攜帶胺基酸到核糖體，並被整合到新的蛋白質中;裝載和調節tRNAs的蛋白質基因;啟動翻譯的蛋白質基因，甚至是核糖體本身的片段。

「通常，區分生命和非生命的是核糖體和翻譯能力;這是區分病毒和細菌、非生命和生命的主要定義特徵之一。」Sachdeva說，「一些大型噬菌體有很多這樣的翻譯機制，所以它們的界限有點模糊。」

巨大的噬菌體很可能利用這些基因改變核糖體的方向，以犧牲細菌蛋白為代價來複製更多的自身蛋白。一些巨大的噬菌體也有替代的遺傳密碼，核酸三聯體編碼一種特定的胺基酸，這可能會混淆解碼RNA的細菌核糖體。

此外，一些新發現的巨型噬菌體攜帶在多種細菌CRISPR系統中發現的Cas蛋白變體的基因，如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。Cas 是Cas12家族的一個變種。一些大型噬菌體也有CRISPR陣列，這是細菌基因組的一部分，病毒DNA的片段被儲存在這裡以備將來參考，這使得細菌能夠識別返回的噬菌體，並調動它們的Cas蛋白來定位和切割它們。

「從高層次的來看，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獨特之處。」班菲爾德說:，「而擁有大型基因組的噬菌體是相關的，這意味著這些已經建立的譜系有著很長的大型基因組的歷史。擁有大型基因組是一種成功的生存策略，而我們對這種策略知之甚少。」

研究人員將這3.51億噬菌體分為10個新的類群，或稱支系，以論文合著者的母語中表示「大」的單詞命名：Mahaphage(梵語)、Kabirphage、Dakhmphage和Jabbarphage(阿拉伯語);Kyodaiphage(日語);Biggiephage(澳大利亞英語)，Whopperphage(美式英語);Judaphage(中文)，Enormephage(法語);和Kaempephage(丹麥語)。

原文來源：https://phys.org/news/2020-02-huge-bacteria-eating-viruses-gap-life.html