» » Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы

Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы


Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы

Гидротермальные поля рифтовой зоны бассейна Лау (Lau Basin) с трубами курильщиков: глубина 1800 м, температура около 260°C. Отсюда были взяты пробы для метагеномного анализа. Фото с сайта news.harvard.edu


Изучив пробы, содержащие сероокисляющие бактерии SUP05, ученые обнаружили в составе их геномов вирусные ДНК. Удивительно, что из 18 типов вирусных ДНК в 15-ти содержались ферменты, участвующие в окислении серы. Как выяснилось, этот элемент генома вирусы приобрели давно, сохранили его в своем генетическом хозяйстве и используют, чтобы заставить бактерий активно тратить свои энергетические запасы на тиражирование вирусных ДНК. Сумма данных по вирусным геномам свидетельствует о масштабности подобного явления: вирусы заимствуют у бактерий гены, регулирующие энергетический обмен, и используют их в эгоистических целях. Эволюцию этих генов и их трансдукцию приходится рассматривать с учетом этого широко распространенного явления.

Американские ученые из Мичиганского и Миннесотского университетов изучали бактериальные сообщества глубоководных гидротерм (их еще называют «черными курильщиками»). С середины XX века, когда был открыт этот обособленный мир, бактериальное население «черных курильщиков» — главный энергогенератор этой биосистемы — стал традиционным предметом пристального внимания ученых. Ведь именно бактерии, окисляющие разные типы серных соединений (а также метана, железа и др.), составляют большую часть первичной продукции «черных курильщиков». Однако, несмотря на постоянные активные исследования, мир «черных курильщиков» исправно поставляет удивительные открытия.

В данном исследовании ученых занимали бактерии SUP05, родственные гамма-протеобактериям (Gammaproteobacteria), которые специализируются на окислении серы (о SUP05 см. в статье: K. T. Marshall & R. M. Morris, 2012. Isolation of an aerobic sulfur oxidizer from the SUP05/Arctic96BD-19 clade). SUP05 являются наиболее массовым элементом микробиоты «черных курильщиков». В целом серобактерии «черных курильщиков» поставляют в глубоководные экосистемы количество органики, сопоставимое с продукцией фотической зоны, поэтому интерес к SUP05 вполне оправдан.

Ученые сравнивали геномы SUP05 из шести точек глубоководных рифтовых зон: 5 проб — из бассейна Лау (Lau Basin), где известно активное гидротермальное поле, шестая — из гидротермов Гуаймас (Guaymas Basin) в Калифорнийском заливе.

В геномах SUP05 из всех шести проб обнаружились вирусные ДНК — всего 18 различных вирусов. Само по себе это в порядке вещей: наиболее массовый организм обычно бывает заражен паразитами, в данном случае бактериофагами. В случае с SUP05 ученых удивило другое. У 15-ти из 18 типов бактериофагов нашлись гены особого фермента (rdsr, reverse dissimilatory sulfite reductase — диссимиляционной сульфитредуктазы; см. подробнее в статье F. Grimm et al., 2009. Regulation of dsr genes encoding proteins responsible for the oxidation of stored sulfur in Allochromatium vinosum), участвующего в окислении элементарной серы. Получается, что большинство этих глубоководных паразитов запаслись молекулярными инструментами для окисления серы. Зачем они вирусам? Окислением серы вирусы не занимаются. Задача вируса — скопировать свою ДНК и белки своего вирусного капсида, затем внедриться в следующего хозяина.

Сравнение генетических последовательностей показало, что гены вирусных ферментов не похожи на гены аналогичного фермента у бактерий-хозяев. Это значит, что они не были получены в результате недавней рекомбинации или заимствования. Вирусы их приобрели сравнительно давно и удерживали так или иначе в своем геноме: по всей видимости, этот дополнительный генетический груз способствовал их размножению. Так как данный фермент участвует в процессе, за счет которого клетка SUP05 получает энергию, то выгода от этого «довеска» для вируса очевидна. Вирус, внедрившись в клетку, заставляет бактерию начать активно использовать свои запасы серы, вырабатывать дополнительную энергию и тратить ее на транскрипцию ДНК, в том числе и вирусной ДНК. Иными словами, бактерия оказывается вынуждена тиражировать вирусную ДНК.


Бактериофаги участвуют в планетарном круговороте серы

Схема окисления серы бактерией SUP05. Отмечены только основные ферменты этого каскада — сульфид-хинон оксиредуктаза (sqr), сероокисляющий комплекс (sox), диссимиляционная сульфитредуктаза (rdsr), АФС-редуктаза (apr), АТФ-сульфурилаза (sat). Серый прямоугольник показывает участок, на котором работает вирусный фермент rdsr. Схема из обсуждаемой статьи в Science


Подобный вирусный диктат был зарегистрирован и для цианобактерий, обитающих в фотической зоне. Их бактериофаги завладели ферментами, контролирующими фотосинтез (psbA и psbD). В результате вирусы могут заставить умирающую клетку поставлять энергию, даже если фотосинтетическая система уже повреждена. Как выяснилось при исследовании вирусов поверхностных слоев океана, большинство вирусов имеют ферменты, участвующие в фотосинтезе. Так, около 60% генов psbA, выявляемых при метагеномном анализе поверхностных вод, принадлежат вирусам (о генах psbA см. подробнее в статье: P. Mulo et al., 2009. Cyanobacterial psbA gene family: optimization of oxygenic photosynthesis).

Сложенные вместе данные по вирусам поверхностных вод и глубоководных курильщиков указывают на огромную вероятность трансдукции и специфической эволюции генов, участвующих в энергетическом метаболизме. Эти гены не просто случайно прицепляются к вирусной ДНК и переправляются новым хозяевам. Напротив, они с большой вероятностью присутствуют у вирусов, нарочно сохраняются ими и видоизменяются в угоду надобностям вирусов, а не бактериальных пользователей энергетических систем. С этих позиций эволюция многих бактериальных генов и темпы горизонтального переноса выглядят совсем по-другому.

Источник: 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.

Елена Наймарк


03 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Регуляторные элементы вирусного происхождения помогают работе нашего иммунитета

Известно, что регуляторные элементы вирусов, встроившиеся в геном предков человека миллионы лет назад, могут работать нам на благо. Такие примеры есть в совершенно разных системах организма: это

Ученые выяснили, почему бактериофагам трудно бороться с иммунной системой бактерий

Эффективность системы наследуемого приобретенного иммунитета CRISPR-Cas, широко распространенная у прокариот, обеспечивается тем, что благодаря ее работе разные бактерии учатся распознавать вирус по

Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий

Ученые из Чехии и Канады исследовали одноклеточный эукариотический организм Monocercomonoides, утерявший в ходе эволюции митохондрии. У него не обнаружено ни митохондриальных, ни ядерных генов,

Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка

Американские и австрийские биологи открыли новую группу гигантских вирусов, получивших название Klosneuvirinae (клоснойвирусы). Они имеют огромные геномы, не уступающие по размеру геномам многих

Удивительные факты о местах обитания коварных вирусов и бактерий

Вам всегда следует помнить, что: 1. Вирусы гриппа, оказавшись на банкнотах, могут прожить на них до 17 дней. 2. 96% придверных ковриков содержат следы фекальных бактерий, которые переносятся в дом на

Интересные факты о вирусах

Отдельные вирусы вводят свою ДНК в бактерии через полые волоски.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Как выглядит заброшенный город будущегоКак алкоголь вредит печени?Достоинства ИБП марки Apc5 крупных палеонтологических открытий 2019 годаНайден способ восстановить зубную эмальВ Швейцарии изобрели похожего на насекомое роботаПредсказания Ванги на 2020 годКраски древнего мира: лазурит