Многие исследователи считают, что богатые микробами горячие источники Йеллоустонского национального парка могут быть хорошей моделью условий, в которых зародилась жизнь на Земле. Теперь в исследовании одного из источников Йеллоустона высказано предположение, что так называемые «гигантские вирусы» сыграли ключевую роль в этих первичных экосистемах и, возможно, помогли сделать первые шаги эволюции.
Гигантские вирусы удивляют биологов с момента их открытия в 2003 году. Они могут быть крупнее некоторых бактерий (от 200 нанометров до 1 микрометра), их геномы во много раз больше, чем у большинства вирусов (Pandoravirus salinus – 2,77 млн пар нуклеотидных оснований, 2556 генов), и они имеют некоторые характеристики бактерий и других клеточных форм жизни. Биологи нашли гигантские вирусы в морских глубинах, в вечной мерзлоте, они также населяют горячие источники. Размножаются эти вирусы в одноклеточных организмах — амебах и церкозоях.
Непохожесть гигантских вирусов на ранее известные вызвала появление гипотезы о том, что они возникли независимо от прочих вирусов, причем произошли от каких-то неизвестных организмов, не относящихся к трем имеющимся доменам: бактериям, археям и эукариотам. Эти организмы имели клеточную природу, но пошли по пути паразитизма, постепенно утратили много генов и, соответственно, клеточных органелл и в итоге «докатились» до стадии вируса. Допускалась возможность, что жизнь на Земле возникла (или была занесена на Землю из космоса) дважды — один раз возникли предки бактерий, архей и эукариот, а другой — предки гигантских вирусов. Однако есть и противоположная концепция, согласно которой предки гигантских вирусов изначально имели сравнительно небольшой геном, но в ходе эволюции они захватывали всё новые и новые гены эукариотических организмов, в которых размножались.
Чтобы узнать больше о том, какую роль гигантские вирусы играют в экосистемах горячих источников, Дебашиш Бхаттачарья (Debashish Bhattacharya) из Университета Рутгерса и его коллеги использовали новые технологии секвенирования и анализа ДНК. Они взяли образцы из Лемонэйд-Крик, очень кислого ручья с горячими источниками в Йеллоустоне, температура которого колеблется около 44 °C. Дно ручья устилает толстый зеленый покров, который, несмотря на свой цвет, состоит из красных водорослей. Исследователи секвенировали всю ДНК, обнаруженную во взятых из ручья образцах.
Из этого урожая Фелипе Бенитес (Felipe Benites) из Университета штата Аризона выделил все известные геномные последовательности архей, водорослей и бактерий. В результате остались молекулы ДНК примерно 3700 потенциальных вирусов. Удивительно, но почти две трети из них оказались гигантскими вирусами. Используя дальнейший компьютерный анализ, Бенитес и его коллеги смогли собрать большинство геномов примерно 25 различных типов вирусов. Ученые полагают, что они размножаются, заражая красные водоросли.
Поскольку горячие источники возникают и исчезают в течение геологического времени, исследователи предполагали, что ни один из гигантских вирусов не может быть очень старым. Они думали, что новые вирусы проникают из более прохладной среды и адаптируются к высоким температурам каждый раз, когда где-то появляется горячий источник. Но их биомолекулы рассказали другую историю. «Связи между вирусами и их хозяевами древние», — говорит Дебашиш Бхаттачарья.
Во-первых, вирусные белки имели признаки давнего обитателя горячих источников: они, как правило, имели более короткие петли и более плотно упакованы, чем белки, адаптированные к более мягким условиям. Более того, ДНК этих вирусов имела те же особенности генетического кода, что и у других обитателей горячих источников. Дело в том, что хотя организмы из горячих источников имеют общий с прочими живыми организмами генетический код, то есть таблицу соответствий между тройками нуклеотидных оснований (кодонами) и кодируемыми ими аминокислотами, в тех случаях, когда код допускает вариативность, термофильные организмы «предпочитают» определенные варианты. Для большинства аминокислот существует более одного кодона, их кодирующего. И, например, у термофильных организмов для кодирования аминокислоты аргинина используются кодоны AGG, AGA, в отличие от других организмов, которые для данной аминокислоты чаще используют кодон CGN. Как теперь выяснилось, такая же предвзятость свойственна гигантским вирусам из Лемонэйд-Крик.
Когда исследователи реконструировали генеалогическое древо вирусов на основе их геномов, они пришли к выводу, что вирусы горячих источников отделились от прочих очень рано. По данным команды, их связь с красными водорослями, вероятно, насчитывает 1,5 миллиарда лет.
«Эта работа подтверждает концепцию о том, что вирусы присутствуют везде, где существует клеточная жизнь, что вирусы существуют, по крайней мере, столько же, сколько и клеточная жизнь», — комментирует работу коллег вирусолог Марк Янг из Университета штата Монтана.
Гигантские вирусы также могут помочь решить эволюционную загадку. Многие обитатели горячих источников заимствовали гены друг у друга, чтобы справиться с высокой температурой и токсинами, такими как мышьяк. Для бактерий такой обмен — обычное дело, но как это делали более сложные организмы, например водоросли, было непонятно. Ученые полагают, что вирусы, возможно, выступали в качестве посредников, легко перенимая гены бактерий и архей и передавая их эукариотам, которых они заражают. В этой роли вирусы, вероятно, играют важную роль в долгосрочной стабильности сообществ горячих источников.
Дебашиш Бхаттачарья подозревает, что вирусы могли иметь важное значение и в другом смысле: заражая клетки водорослей, они заставляли их распадаться, делая их содержимое доступным для других органимов в среде, где питательных веществ было недостаточно.
Исследователи сделали еще одно неожиданное открытие: вирусные сообщества на водорослевом мате, в почве и между камнями оказались удивительно разными, хотя в пространстве их разделили считаные сантиметры. Пока неизвестно, что помогает им сохранить изоляцию.
Исследование опубликовано в журнале Communications Biology.
