巨型噬菌体，弥补微生物细胞与病毒机制间的空白

噬菌体，感染细菌的病毒，与细胞生命有所不同，因无法完成大多数繁殖所需要的生物学过程。通常，基因组很小，有赖于其宿主细菌而复制。现在，一个科学家组成的国际团队发现了351个噬菌体新物种，具有巨大基因组，还常常带有生命体相关的一些能力，而模糊了微生物细胞与病毒机理之间的界限。

图示：巨型噬菌体（左侧，红色），和正常噬菌体感染细菌细胞。巨型噬菌体将其DNA注入宿主细胞，Cas蛋白，通常只见于细菌和古生菌，是CRISPR免疫系统的组成部分，操纵宿主细胞对其它病毒的应答。作者并未拍摄到巨型噬菌体，故噬菌体都套用常见T4噬菌体的模样。

图片来源：吉尔班菲尔德实验室（Jill Banfield Lab）/加州伯克利分校。

加州伯克利分校的班菲尔德教授，和来自美国、丹麦、日本、加拿大、中国、南非、法国、英国、和澳大利亚的同事们，对30个不同地理环境的样本，包括早产儿和孕妇的肠道、西藏温泉、南非生物反应器、医院病房、海洋、湖泊、和地下深处，并搜寻比对DNA大型数据库，发现了巨型噬菌体。

“我们在搜寻地球微生物群落，有时会出现意想不到的事情。这些细菌病毒是生物学的一部分，是复制实体的一部分，而我们对此知之甚少”班菲尔德说。

“这些巨型噬菌体弥补了非生活型噬菌体与细菌，乃至古生菌之间的空白。看来肯定有某些生存的成功策略，它们是我们认为的传统病毒与传统微生物之间的某些杂合体”。

研究人员鉴定出351个噬菌体，其基因组大于200，000碱基，是噬菌体基因组平均长度50，000碱基的4倍。

其中，迄今发现的最大噬菌体，基因组73.5万碱基对，几乎是普通噬菌体的15倍。这个已知最大的噬菌体基因组比许多细菌的基因组还要大。

尽管这些巨型噬菌体中的大多数基因，编码未知蛋白，但科学家能够识别出转换信使RNA到蛋白质机制中的核糖体的编码基因。这种基因通常不存在于病毒中，只存在于细菌或古生菌中。

这项研究的作者，发现了许多转运RNA（tRNA）的基因，tRNA是携带氨基酸到核糖体上，整合成新的蛋白质；以及装载和调节tRNA的蛋白基因；启动翻译的蛋白基因，甚至是核糖体本身的片段。

“通常，生命区别于非生命的是有核糖体，和有翻译能力；这是区分病毒和细菌，非生命和生命的主要定义特征之一“，加州大学伯克利分校创新基因组研究所研究员，罗翰萨奇德瓦（Rohan Sachdeva）博士说。

“有些大型噬菌体有很多这样的翻译机制，它们的界限有点模糊了”。

巨型噬菌体很可能利用这些基因，来改变核糖体的方向，以牺牲细菌蛋白为代价制造更多自身的蛋白。有些巨型噬菌体还有替代的遗传密码，核酸三联体，编码一个特定的氨基酸，可能会混淆解码RNA的细菌核糖体。

新发现的巨型噬菌体，有一种能够制造出类似于Cas9的蛋白，Cas9是革命性的基因编辑工具，CRISPR-Cas9，的一部分。

该团队称这种蛋白为CasØ，希腊字母Ø，历来用于表示噬菌体。

“这些噬菌体如何改变了这个系统，而我们认为是细菌或古生菌为自身利益而用来对抗竞争的，从而点燃了这些病毒之间的战争，这很有趣”，加州大学伯克利分校的研究生，巴塞姆艾萨赫德瓦（Basem Al-Shayeb）说。

“这些巨型噬菌体中，有很大的潜力找到基因工程的新工具”，萨赫德瓦说。

“我们发现的很多基因是未知的，没有假定的功能，可能会是工业、医药、和农业应用的新型蛋白的来源”。

班菲尔德说，“放大些说，大型基因组的噬菌体在整个地球生态体系中相当突出，它们并不是一个生态体系的独特之处”。

“而拥有大型基因组的噬菌体是关联的，这意味着这些已经建立的谱系，有很长的大型基因组的历史”。

“拥有大型基因组，是一种成功生存的策略，而我们所知太少”。

这项研究发表在《自然》杂志上。

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2007-4

Clades of huge phages from across Earth's ecosystems