Мировой океан полон вирусов
Недавно я прочла несколько лекций – «Вирусы: скорее друзья, чем враги», «Если бы не вирусы, нас бы не существовало», «Вирусы на самом деле лучше, чем о них думают», «Вирусы как изобретатели», «Вирусы как двигатели эволюции» и т.д. Вирусы не только вызывают заболевания, но и помогают нам приспосабливаться к жизни! Я бы даже сказала больше: не будь вирусов, мы бы болели. Я вовсе не цинична – безусловно, я знаю о ВИЧ, вирусе гриппа и вирусе Эбола. Но важно посмотреть на этот вопрос с иной точки зрения, и я хочу, чтобы читатель знал об этом потому, что это новый подход, который до сих пор практически неизвестен, а еще потому, что он однажды повлияет на нашу повседневную жизнь. Новые технологии – это основа нашего нового представления о мире.
В 2013 г. я отправилась в «Геомар», что в Киле, бывший Институт биологии морской среды при Кильском университете. В фойе установлен макет исследовательского судна MS Meteor, на котором в 1960-х гг. проводились экскурсии для студентов, – на одной из них я была, но у меня, как обычно, началась морская болезнь, и я решила вместо этого заниматься физикой. И все же я до сих пор немного увлекаюсь океанографией; поэтому приехала в Ванкувер послушать выступление Кёртиса Саттла, профессора биологии морской среды и вирусологии. Микробиомный анализ – глобальное секвенирование всех микроорганизмов – со временем получил широкую известность. Как правило, секвенирование распространяется не только на бактерии, но и на все вирусы. Кёртис Саттл – один из ведущих вирусологов. Набился полный конференц-зал студентов. Я уже знала, как вдохновенно он может говорить, и в этот вечер он не обманул моих ожиданий. «Действительно ли вирусы правят миром?» – задал он вопрос. Саттл не имел в виду вирусные заболевания, описанные в учебниках, он подразумевал совсем другое. «На что был бы похож мир без вирусов?». Его ответ был (и есть): «Нас бы просто не существовало». Нам бы не хватало кислорода, поскольку кислород вырабатывается вирусами, когда осенью они очищают светящиеся водоросли в океане.
Казалось, что на слайде, показанном Саттлом на первой лекции, изображено звездное небо, но это было нечто иное: самые мелкие точки – это вирусы, точки крупнее – бактерии, и наконец, самые крупные точки – одноклеточные организмы (мелкие одноклеточные и многоклеточные эукариоты, в частности водоросли и некоторые грибы). До недавнего времени вирусы в океане оставались неопределяемыми. Поэтому Кёртис Саттл взял 200 л океанской воды, упарил ее и пропустил через фильтр, задерживающий крупные бактерии (и гигантские вирусы). Вирусы в проточной жидкости можно изучить при помощи «эпифлуоресцентной микроскопии» с использованием флуоресцентного красителя SYBR-Gold (крайне чувствительный циановый краситель). Полученные в результате этой процедуры снимки очень напоминали звездное небо. В океане 10 вирусов – больше, чем звезд на небе, количество которых оценивается в 10. Всего на нашей планете существует 10 вирусов. Однако практически невозможно точно выяснить, сколько видов вирусов существует, поскольку их не так просто обнаружить. Впервые их проанализировали в 2007 г. в рамках проекта забора образцов из Мирового океана, когда Крейг Вентер с командой на своей парусной яхте Sorcerer II прошел из Северной Атлантики через Панамский канал в южную часть Тихого океана и собрал образцы воды, положив начало новой области исследований. Позже аналогичная океаническая экспедиция Tara Oceans была предпринята членами Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) на шхуне Tara. Они в течение трех лет (2009–2012 гг.) забирали образцы морской воды из всех океанов на Земле, создавая коллекцию образцов, ставшую кладезем информации о микроорганизмах и мелких морских животных. Ученые все еще занимаются анализом этих данных.
Кёртис Саттл умеет подавать материал. Он рассказывает о вирусах, которые на самом деле называются «фаги». Но он этого не говорит. «Если я скажу, что моя лекция посвящена фагам, никто не придет, поскольку большинство людей никогда о них не слышали!» Поэтому нужно иметь в виду следующее: фаги – это вирусы, инфицирующие бактерии. Это настоящие вирусы, но они ограничиваются бактериями-хозяевами. Большинство вирусов в океане являются фагами. Тем не менее недавно в океанских водах обнаружили гигантские вирусы. Никто не имеет ни малейшего представления о том, сколько их вообще, так как они крупные и при фильтрации (в отличие от вирусов) ведут себя как бактерии. Понятия «фаг» и «бактериофаг» означают одно и то же – «пожиратели бактерий». На самом деле они их не пожирают (хотя выглядит очень похоже), а лизируют (растворяют). В глотке воды из Балтийского моря содержится 10–10 фагов, и, как правило, они для нас неболезнетворны. Это мелкие организмы, относящиеся к наночастицам. Какое получится расстояние, если выстроить их в ряд? Кёртис Саттл любит подобные вычисления: 10 ? 100 нм = 10 м, или 10 км, или 10 световых лет. Для сравнения: Крабовидная туманность находится на расстоянии 4000 световых лет от нас. (.)
Вирусы обмениваются со своими хозяевами генетическим материалом. Такой генный обмен – «горизонтальный» или латеральный перенос генов (ГПГ или ЛПГ) – создает условия для эволюции вирусов и их хозяев. С появлением новых генов хозяева получают новую информацию. По оценкам Саттла, ежесекундно в океане происходит 10 вирусных инфекций, в результате чего возникает астрономическое число ГПГ. Это основа для инноваций и изменений в клетке-хозяине. Ежедневно происходит фантастическое (10) число лизисных реакций. Однако среди этого гигантского количества перенесенных генов сложно получить информацию о новых образовавшихся вирусах. Никто не представляет себе, как они выглядят. Общее число фагов в океане примерно в 100 раз превышает число бактерий; 80% бактерий в океане инфицированы фагами.
Слушатели лекции Кёртиса Саттла были удивлены. «Вирусы – это очень круто!» Бактерии и вирусы существуют как минимум 3,5 млрд лет. За это время их число многократно увеличилось. Микробы в океане формируют самую большую биомассу на Земле. Вирусы составляют 98% общего объема биомассы на Земле. Ежедневно около 20% общего объема биомассы лизируется фагами, что делает возможным повторное использование нутриентов и обеспечивает другие организмы питанием. Вирусы стимулируют рост других организмов в океане, например фитопланктона, состоящего из зеленых и синих морских водорослей, которых в океане насчитывается более 5000 видов. Общее число генов в бактериофагах превосходит суммарное число всех других, вместе взятых, видов, существующих на нашей планете. Вирусы даже не используют все свои генетические возможности.
Секвенирование вирусов после концентрирования и фильтрования морской воды проходит успешно, но только если секвенировать их все сразу, анализируя весь виром воды. Увы, отдельные фаги и более крупные вирусы идентифицировать невозможно. Следующий этап – дальнейший анализ информации. Однако даже при наличии самых мощных компьютеров это сложный и трудоемкий процесс. В этих последовательностях 90% генетической информации не известно, и эта информация не связана с известными последовательностями. Как много вирусов с неизвестной информацией! Это довольно странно. Откуда взялась эта информация? Появилась сама собой? Да, вероятно, вирусы прилагают максимум усилий, но клетки не могут предоставить всю генетическую информацию, поскольку просто не располагают ею в таком объеме. Большинство вирусов и бактерий невозможно вырастить в лабораторных условиях, и поэтому их довольно сложно протестировать. Число фагов и других вирусов в океане зависит от сезона. Осенью и зимой многие фаги находятся во внутриклеточном состоянии, которое также называется «лизогенным» состоянием, – они интегрируются в бактериальный геном ДНК и остаются там или располагаются рядом с геномом в качестве свободных «эписом» – зачастую они представляют собой замкнутые кольца – и либо выжидают, либо находятся в спокойном хроническом состоянии, никак себя не проявляя. Они разрастаются в крупные «лужайки», биофильмы. Это напоминает групповые образования, и врагам извне – в данном случае речь идет об инфекциях – не так-то просто атаковать членов группы. Но когда бактерии находятся в состоянии стресса вследствие недостатка нутриентов или необходимого пространства, вирусы активируются, демонстрируя литическое поведение, реплицируют и лизируют своих хозяев. Несмотря на наличие в воде большого количества вирусов/фагов, в морях и озерах можно плавать, такую воду можно даже пить, притом что в одном глотке может содержаться 10вирусов. Человек не заболевает, и все же из этого правила бывают исключения (но только время от времени – см. главу о EHEC).
