Вирусы являются чумой бактерий так же, как грипп является чумой людей.
Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Калифорнийского университета в Беркли, некоторые из самых крупных вирусов или так называемых бактериофагов, обнаруженных в кишечнике человека, периодически уничтожают бактерии.
Эти «мегафаги», геномы которых примерно в 10 раз больше, чем у среднего фага, и в два раза больше, чем у любого другого фага, ранее обнаруженного у людей, были найдены в кишечном тракте человека. Однако речь идет только о тех людях, которые употребляют незападную и нежирную пищу с высоким содержанием клетчатки.
Интересен тот факт, что они также были обнаружены в кишках павианов и свиней, показывая, что фаги, несущие гены, влияющие на здоровье человека, могут перемещаться между людьми и животными и, возможно, переносить болезни.
«В настоящее время известно, что фаг несет в себе гены, вызывающие болезни и кодирующие устойчивость к антибиотикам. Движение мегафагов наряду с перемещением бактерий-хозяев повышает вероятность того, что болезнь может передаваться между животными и людьми. К тому же мегафаги обладают гораздо большими возможностями в этом процессе», – отметила Джилл Бэнфилд, которая возглавляет инициативу Института инновационной геномики по микробиологии и является профессором в Калифорнийском университете в области наук о Земле и планетологии, а также в области экологических наук, политики и управления.
А поскольку мегафаги, которые большинство биологов не считают «живыми», обладают более крупными размерами, чем бактерии, то они стирают грань между тем, что является живым, а что нет.
Бэнфилд и ее коллеги опубликовали результаты своего исследования 28 января в журнале Nature Microbiology.
Фаги и CRISPR
Бэнфилд можно считать пионером в метагеномном секвенировании, то есть в одновременном секвенировании всех генов каждого организма в определенном сообществе. Она и ее коллеги восстанавливают геномы каждого существа в сообществе, часто обнаруживая микробы, которых раньше никогда не видели. Исследуя микробные сообщества в шахтах, гейзерах, человеческом кишечном тракте и глубоко под землей, они обнаружили так много новых микробов, что им пришлось пересмотреть существующее древо жизни, чтобы приспособить их к нему.
В процессе исследования они нашли много генов бактериофага, поскольку фаги формально известны нам. Фактически, кластер CRISPR (система адаптивного иммунитета), обнаруженный у некоторых бактерий, представляет собой резервуар фрагментов генома фага, который они хранят, чтобы помнить о предыдущих инфекциях фага – это позволяет им быстро отражать последующие инфекции. Белок Cas9, мобилизованный этими бактериями для обнаружения и уничтожения вирусных захватчиков, был преобразован учеными из Калифорнийского университета в Беркли и Венского университета в мощный инструмент CRISPR-Cas9, который произвел революцию в биологии и создал новую область в генной терапии.
При секвенировании кишечных бактерий у людей в Бангладеше в рамках исследования, проведенного Джоанн Сантини из Университетского колледжа Лондона с целью изучения воздействия испорченной мышьяком воды на кишечную флору, Бэнфилд идентифицировала эти самые мегафаги. После того как исследовательница собрала все их геномы, она увидела, что все они были в 10 раз больше, чем средний фаг, встречающийся в других микробиомах. Чтобы вместить раздутые геномы, эти фаги заполучили огромную оболочку, называемую капсидом – ее размер варьируется от 200 до 300 нанометров.
Она и ее коллеги обнаружили кластер CRISPR в одном типе бактерий – Превотелла, который содержал фрагменты ДНК мегафагов. Это позволило им предположить, что мегафаг охотится в основном на превотеллу. Эти бактерии редко встречаются у людей, придерживающихся западной диеты с большим количеством мяса, жира и сахара.
По словам соавтора исследования Джоан Сантини, превотелла также связана с инфекциями верхних дыхательных путей и широко распространена при заболеваниях пародонта. Это означает, что новый мегафаг может помочь в создании новых методов лечения инфекций, вызванных превотеллой.
Микробиомы охотников-собирателей
Бэнфилд и ее команда назвали группу мегафагов «Лак-фаг» в честь района Бангладеш, где их впервые обнаружили – Лаксам Упазила. Впоследствии одна из авторов научной работы Одра Девото обнаружила лак-фаги в кишечных микробиомах охотников-собирателей племени Хадза в Танзании, двух отдельных социальных группах бабуинов, которые изучались в Кении, и свиней датских ферм.
«Лак-фаги у свиней более тесно связаны с аналогичными фагами у людей, чем у бабуинов, поэтому вполне вероятно, что они перемещаются через когорты животных. Мы подозреваем, что превотелла и лак-фаг были довольно недавно приобретены бабуинами, потому что у них очень маленькая устойчивость к ним, и они широко распространены среди них», – отметила Бэнфилд.
Известно, что фаги несут гены, которые усугубляют многие болезни человека. Например, некоторые из них могут закодировать токсины ботулизма, холеры и дифтерии, что значительно ухудшает симптомы у пациентов. Одна из целей Бэнфилд – увидеть, как популяции фагов и бактерий, на которых они охотятся в кишечнике, меняются со временем и в зависимости от диеты, и как это влияет на здоровье.
У четырех человек команда обнаружила изменение уровней фагов и превотеллы с течением времени, что указывает на наличие постоянного цикла, в котором растущие популяции фагов сокращают численность бактерий, а затем происходит снижение количества фагов, что позволяет превотелле восстановить свою популяцию.
Бэнфилд полагает, что у мегафагов имеются более крупные геномы для производства белков, необходимых им для предотвращения вмешательства бактерии-хозяина в усилия фага по созданию большего количества копий самого себя. Этот процесс занимает больше времени из-за более крупного генома.
Бэнфилд сейчас ищет мегафаги в других метагеномных базах данных, надеясь узнать больше информации о том, как они работают и имеются ли в них интересные и потенциально полезные белки.