Микроб с необычайно маленьким геномом может эволюционировать в вирус

Насколько ученые могут судить по его геному — единственному на данный момент свидетельству его существования — это паразит, который ничего не дает одноклеточному существу, которое он называет домом. Большинство из 189 генов Sukunaarchaeum, кодирующих белок, сосредоточены на репликации его собственного генома; он должен украсть все остальное, что ему нужно, у своего хозяина Citharistes regius, динофлагеллята, который обитает в океанских водах по всему миру. Добавляя таинственности этому микробу, некоторые из его последовательностей идентифицируют его как архею, род простых клеточных организмов, более тесно связанных со сложными организмами, такими как мы, чем с бактериями, такими как Escherichia coli.

Открытие странного вирусоподобного образа жизни Sukunaarchaeum, о котором сообщается в препринте bioRxiv, «бросает вызов границам между клеточной жизнью и вирусами», — говорит Кейт Адамала, синтетический биолог из Университета Миннесоты в городах-побратимах, которая не принимала участия в работе. «Этот организм может быть интересным живым ископаемым — эволюционной точкой, которая сумела удержаться».

Sukunaarchaeum был обнаружен случайно. Исследователи из Университета Цукубы пытались секвенировать всю ДНК внутри клеток C. regius, поскольку уже было известно, что динофлагелляты содержат симбиотические цианобактерии. Однако наряду с ожидаемой ДНК динофлагеллятов и цианобактерий, а также геномами того, что может быть бактериальными паразитами, они обнаружили странный круг ДНК длиной всего 238 000 пар оснований, что составляет всего 5% от длины генома E. coli. «Изначально мы подозревали, что этот крошечный кольцевой геном может быть каким-то артефактом», — говорит Такуро Накаяма, эволюционный микробиолог из Цукубы.

Но когда Накаяма и его коллеги использовали несколько методов секвенирования и сборки генома, они продолжали натыкаться на эту петлю ДНК. Команда была вынуждена сделать вывод, что внутри C. regius живет какая-то другая сущность, по-видимому, архея.

С очевидной неспособностью жить вне своего хозяина и с геномом, который меньше половины генома самого маленького археона, Sukunaarchaeum — пока еще неофициальное название, вдохновленное Sukuna-biko-na, божеством маленького роста в японской мифологии — не похож ни на один другой известный археон. Он не претендует на самый маленький микробный геном, честь, которая достается бактерии, живущей в питающихся соком насекомых, геном которой составляет всего 160 000 пар оснований. Однако эта бактерия-рекордсмен содержит гены, которые кодируют создание молекул, полезных для ее хозяев-насекомых.

Напротив, Накаяма говорит, что у Sukunaarchaeum отсутствуют «практически все узнаваемые метаболические пути». Это означает, что он, вероятно, не может производить необходимые молекулы — такие как аминокислоты, из которых состоят белки, или нуклеотиды, из которых состоят ДНК — самостоятельно, что предполагает, что микроб имеет «паразитические или односторонне эксплуататорские отношения» со своим хозяином-динофлагеллятом. Он добавляет, что, как и вирусы, Sukunaarchaeum имеет «почти полную зависимость» от клеточного аппарата C. regius.

Однако Sukunaarchaeum отличается от вирусов одним примечательным свойством: он может реплицировать свой собственный генетический материал. Обычно вирусы должны захватывать своих хозяев, чтобы производить больше себя. Но почти все идентифицированные гены Sukunaarchaeum участвуют в репликации, транскрипции и трансляции ДНК. Тем не менее, Накаяма говорит, что «интенсивная концентрация микроба на самораспространении, даже за счет почти всех метаболических возможностей, напоминает вирусные стратегии».

Биолог из Университета штата Сан-Диего Элизабет Уотерс, которая была частью команды, опубликовавшей в 2003 году геном первого архейного паразита, который крадет у другого архея, с которым он растет рядом, не совсем убеждена, что Sukunaarchaeum — это вирус в процессе становления. «Это небольшой скачок», — говорит она, хотя «если это правда — это потрясающе». Несмотря на это, она говорит, что микроб «увлекателен», и она считает, что Sukunaarchaeum позволит провести захватывающие фундаментальные тесты того, как эволюционируют геномы.

Адамала добавляет, что если Sukunaarchaeum действительно представляет собой микроб на пути к превращению в вирус, он может рассказать ученым о том, как изначально эволюционировали вирусы. «Большинство величайших переходов в эволюции не оставили ископаемой летописи, что очень затрудняет выяснение точных этапов», — говорит она. «Мы можем покопаться в существующей биохимии, чтобы попытаться восстановить предковые формы, или иногда мы получаем подарок от природы в виде выжившего эволюционного промежуточного звена».

Что уже ясно: Sukunaarchaeum не одинок. Когда Накаяма и его коллеги просеяли общедоступные последовательности ДНК, извлеченные из морской воды по всему миру, они обнаружили много последовательностей, похожих на последовательности Sukunaarchaeum. «Вот тогда мы поняли, что не просто нашли один странный организм, а раскрыли первый полный геном большой, ранее неизвестной архейной линии», — говорит Накаяма.

Команда сейчас пытается сфотографировать Sukunaarchaeum: сложная задача, учитывая, что его ширина, вероятно, намного меньше 1 микрона. Изучаемый Уотерсом архейный паразит, геном которого более чем в два раза больше генома Sukunaarchaeum, имеет всего 400 нанометров в поперечнике. Исследователи также пытаются выяснить, как эта группа связана с другими археями — например, есть ли у них близкие свободноживущие родственники — и определить, что именно делают белки микроба, включая несколько огромных, связанных с мембраной белков, которые могут быть связаны с тем, как он взаимодействует со своим хозяином.

Для Адамалы эта находка — напоминание о том, как много еще предстоит открыть. «Эта работа подчеркивает, насколько безумна, прекрасна и до сих пор плохо изучена биология», — говорит она.