Nature大发现：熏染细菌的病毒，也有了超大的size……

新发现的庞大噬菌体（红色）与正常噬菌体。图片泉源：Jill Banfield

噬菌体是一种专门破坏细菌的病毒，它们基本存在于任何有生命的地方。好比，有数十亿的它们就在我们的手上、肠道以及眼睑中。它不算作有生命，也不能说是无生命的。

2月13日，揭晓在《Nature》上的一项研究中，美国加州大学伯克利分校向导的研究团队发现了数百种异常大的噬菌体。它们具有某些通常与活体生物相关的能力，该发现进一步模糊了其生命与非生命之间的界线。

这些噬菌体的巨细和庞大性到达了生命体的典型特征，它们携带着大量通常在细菌中发现的基因，并使用这些基因来敷衍其细菌宿主。

该研究团队通过搜索他们从近30种差别地球情况发生的大型DNA数据库，发现了这些庞大的噬菌体。这些情况从早产儿和孕妇的肠道到西藏的温泉、南非的生物反映器、病房、海洋、湖泊和地下深处。

他们总共确定了351个差别的噬菌体基因组，所有噬菌体的基因组都比以单细胞细菌为食的病毒基因组平均大四倍以上。

其中有迄今为止发现的最大噬菌体，其基因组长达735000个碱基对，险些是普通噬菌体的15倍。这个已知最大的噬菌体基因组比许多细菌的基因组都要大得多。

该研究通讯作者、加州大学伯克利分校地球与行星科学以及情况科学、政策和治理学教授said Jill Banfield说：“我们正在探索地球上的微生物群，有时会泛起意想不到的事情。这些细菌病毒是生物学的一部门，能复制实体，但我们对它们却知之甚少。这些庞大噬菌体架起了无生命噬菌体与细菌和古细菌之间的桥梁。这些传统病毒和活体生物的混淆体看来一定是有一些乐成的生存计谋。”

具有讥笑意味的是，这些庞大的噬菌体所携带的DNA正是细菌用来反抗病毒的CRISPR系统的一部门。一旦这些噬菌体将其DNA注入细菌，病毒CRISPR系统就会增强宿主细菌的CRISPR系统，这可能主要针对其他病毒。

研究第一作者、加州大学伯克利分校的研究生Basem Al-Shayeb说：“有趣的是，这些噬菌体重新使用我们认为属于细菌或古细菌的系统，使其自身在竞争中受益，以在与其他病毒的战争中获得优势。”

新型Cas卵白

其中一种庞大的噬菌体还能够制造一种与Cas9卵白类似的卵白质，该卵白是世界良好女科学家Jennifer Doudna和她的欧洲同事Emmanuelle Charpentier（两人获得了以色列2020年沃尔夫医学奖）革新CRISPR-Cas9的一部门。Banfield的研究团队将这种微小的卵白质称为CasØ，因为希腊字母Ø（读作phi）在传统上被用来表现噬菌体。

Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna

Sachdeva说：“在这些庞大噬菌体中，很可能存在用于基因组工程的新工具。我们发现的许多基因都是未知的，我们不相识其功效，它们可能是工业、医学或农业应用中新卵白质的泉源。”

除了为噬菌体和细菌之间不停的战争提供新的看法外，这一新发现还对人类疾病发生了影响。通常，病毒在细胞间携带基因，包罗赋予抗生素耐药性基因。而且由于噬菌体会泛起在细菌和古细菌生活的任何地方，包罗人类肠道微生物组，所以它们可以将有害基因带入人体内的细菌。

Banfield说：“有些疾病是由噬菌体间接引起的，因为噬菌体围绕着到场发病和抗生素耐药性的基因移动。而且基因组越大，在这类基因周围移动的能力就越强，向人类微生物组的细菌通报不良基因的可能性就越大。”

为地球上的生物群测序

15年来，Banfield一直在探索细菌、古细菌以及地球上差别情况中噬菌体的多样性。 她通过对样本中的所有DNA举行测序，然后将这些片段拼接在一起，组装出草图基因组。在某些情况下，还可以对从未见过的微生物的基因组举行完全整理。

在这个历程中，她发现许多新的微生物具有极其微小的基因组，似乎不足以维持独立的生命。相反，它们似乎依赖其他细菌和古细菌生存。

一年前，她陈诉说，在人肠道和口腔中发现了一些最大的噬菌体（Lak噬菌体），Lak噬菌体在那里捕食肠道和唾液中的微生物。

这篇揭晓在《Nature》上的新论文是对Banfield积累的所有宏基因组序列再加上全球研究互助同伴提供的新宏基因组中的庞大噬菌体举行了更彻底的探索。元基因组来自狒狒、猪、阿拉斯加麋鹿、土壤、海洋、河流、湖泊和地下水，还包罗饮用砷污染水的孟加拉国人。

图片泉源：Jill Banfield

该团队确定了351个凌驾200kb的噬菌体基因组，是平均50Kb噬菌体基因组长度的四倍。他们能够确定175个噬菌体基因组简直切长度，而其他的可能远大于200kb。其中一个完整的基因组长达735000个碱基对，它是现在已知的最大噬菌体基因组。

只管这些庞大噬菌体中的大多数基因都编码未知的卵白质，但研究人员仍能够判定出编码对该机制至关重要卵白（称为核糖体）的基因。这类基因不存在于病毒中，通常仅存在于细菌或古细菌中。

研究人员发现了许多用于转移RNA的基因。这些基因携带氨基酸到核糖体中并被整合到新的卵白中，用于承载和调治转运RNA（tRNA）卵白质的基因、开启转译的基因、甚至是用于核糖体自身片段的卵白基因。

研究人员说：“通常情况下，是否拥有核糖体和举行转译的能力是区分生命与非生命的尺度， 这是区分病毒和细菌、非生命和生命的主要界说特征之一。一些大型噬菌体具有许多这种转译机制，因此它们使这条尺度变得有些模糊。”

庞大噬菌体可能使用这些基因来重定向核糖体，它们以牺牲细菌卵白为价格，制造更多自己的卵白质副本。一些庞大噬菌体还具有其他的遗传密码，即编码特定氨基酸的核酸三联体，这可能会扰乱解码RNA的细菌核糖体。

图片泉源：Nature

此外，一些新发现的庞大噬菌体携带了在种种细菌CRISPR系统中存在的Cas卵白变体的基因，如Cas9、Cas12，CasX和CasY家族。一些庞大噬菌体也有CRISPR阵列（这是细菌基因组中存储病毒DNA片段以备未来引用的区域），从而使细菌能够识别返回的噬菌体，并驱动其Cas卵白靶向并切割它们。

Banfield说：“总体结论是，具有大型基因组的噬菌体在地球的整个生态系统中都很是突出，它们并不是一个生态系统的特例，而与具有大基因组的噬菌体有关，它们都来自具有悠久历史的大型基因组谱系。拥有大型基因组是一种乐成的生存计谋，而我们对这种计谋所知甚少。”

参考文献：

Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems