Многие исследователи считают, что бурлящие, богатые микробами горячие источники Йеллоустонского национального парка являются моделью условий, в которых зародилась жизнь на ранней Земле. Теперь исследование одного из горячих источников Йеллоустона предполагает, что так называемые «гигантские вирусы» сыграли ключевую роль в этих первичных экосистемах и, возможно, помогли сделать первые шаги в эволюции.
Исследование, опубликованное в журнале Communications Biology, показывает, что понимание эволюции древних вирусов может быть ключом к нашему пониманию раннего развития жизни.
Гигантские вирусы поражают биологов с момента их открытия в 2003 году. Они могут быть крупнее некоторых бактерий, их геномы во много раз больше, чем у большинства вирусов, и они имеют некоторые характеристики бактерий и других клеточных форм жизни. Биологи обнаружили гигантские вирусы в морских глубинах и скрываются в геномах красных водорослей. Они также обитают в горячих источниках — места, которые Андреас Вебер, биохимик из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, называет «капсулами времени, открывающими окно в раннюю эукариотическую жизнь».
Чтобы узнать больше о том, насколько хорошо зарекомендовали себя гигантские вирусы в горячих источниках и какую роль они там играют, ученый-геномист из Университета Рутгерса Дебашиш Бхаттачарья и его коллеги использовали новые технологии секвенирования и анализа ДНК. Они сосредоточились на Лимонад-Крик, очень кислом ручье с горячими источниками в Йеллоустоне, температура которого колеблется около 44°C. Дно ручья покрыто толстым зеленым ковриком, который, несмотря на свой цвет, состоит из Rhodophyta, или красных водорослей. Исследователи взяли образцы из мата, прилегающей почвы и пространства между лежащими неподалеку камнями. Они секвенировали всю ДНК в образцах.
Из этого урожая постдок Фелипе Бенитес выделил все известные последовательности архей, водорослей и бактерий. В результате у него осталась ДНК примерно 3700 потенциальных вирусов; Удивительно, но почти две трети из них были гигантскими вирусами. Используя дальнейший компьютерный анализ, Бените и его коллеги смогли собрать воедино большинство геномов примерно 25 различных типов вирусов. Они думают, что они размножаются, заражая красные водоросли.
Поскольку горячие источники приходят и уходят в течение геологического времени, исследователи предположили, что ни один из гигантских вирусов не был 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», — отмечают ученые.
Во-первых, вирусные белки имели признаки давнего обитателя горячих источников: они, как правило, имели более короткие петли и были более плотно упакованы, чем белки, адаптированные к более мягким условиям. Более того, их ДНК была «предвзята» и имела те же трехосновные коды, что и другие жители горячих источников. И когда исследователи реконструировали генеалогическое древо вируса на основе недавно секвенированных вирусов и других вирусных генов, они пришли к выводу, что вирусы горячих источников разветвились очень рано в истории вирусов. Их связь с красными водорослями, вероятно, возникла 1,5 миллиарда лет назад, сообщает команда.
«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», — говорят ученые.
Они также могут помочь решить эволюционную загадку. Многие жители горячих источников заимствовали гены друг у друга, чтобы справиться с жарой и токсинами, такими как мышьяк, но как именно это сделали более сложные организмы, такие как водоросли, «неуловимо», говорит Вебер, который в течение десятилетия изучал, как красные водоросли обмениваются генами. Он и другие полагают, что вирусы, возможно, были посредниками, 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.
Бхаттачарья подозревает, что вирусы могли иметь важное значение и в другом смысле: заражая клетки водорослей, они заставляли их распадаться, делая их содержимое доступным для роста других клеток в среде, где питательных веществ было недостаточно.
Исследователи сделали еще одно удивительное открытие: вирусные сообщества на водорослевом мате, в почве и между камнями оказались удивительно разными. Как и почему эти сообщества остаются настолько изолированными, — это еще одна загадка, которая указывает на то, как мало мы на самом деле знаем о разнообразии и роли вирусов в микробных сообществах.
