Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Вирусы и “живые камни”?
Что такое “жизнь”? Откуда она берет свое начало? Почему “жизнь” присутствует на нашей планете? Эти вопросы стары как мир, а ответы на них можно найти в мире микроорганизмов.
Микроорганизмы (вирусы, бактерии, грибки, и протисты) существовали на планете задолго до того, как появились мы. Через близкое и аккуратное сосуществование, они сформировал этот мир…пока он не стал нашим. Многие из древних структур, сформированные благодаря их деятельности, все еще существуют сегодня и, возможно, содержат ответы на вопросы об истории жизни на Земле.
Одна из таких структур – строматолит. Несмотря на то что строматолиты выглядят как скалы, они представляют собой одни из самых ранних и сложных экосистем. Именно из-за этого их часто называют “живыми камнями”. Строматолиты – это ископаемые, состоящие из окаменевшей биопленки. Считается, что они являются одними из первых форм жизни, датируемые возрастом 3,5 миллиарда лет.
Биопленка – это липкая, и иногда слизистая, бактериальная структура, предназначенная для защиты. Она подобна налету на зубах, который присутствует в ротовой полости людей (и многих других животных). Эта структура состоит из микробов и продуктов их жизнедеятельности, включая выделяемые ими внеклеточные вещества. Такие микробные сообщества могут сформироваться в двух местах: если они сформированы на твердой поверхности, такая структура называется биопленка; если же на осадочных породах, то это микробный мат.
Подобные микробные маты существовали в природе на протяжении очень долгого времени. Постепенно, они могут быть преобразованы в твердую камнеподобную структуру – строматолиты. Микробные маты содержат почти все виды микроорганизмов, включая протисты, археи и вирусы. Однако, не все микробные маты сохраняют свою целостностность на протяжении всего времени. Химический и биологический состав микробного сообщества играет роль в определении продолжительности жизни: либо экосистема исчезнет со временем, либо станет окаменевшим ископаемым, сохраняя небольшой кусочек прошлого. Таким образом, «живые камни» находятся на пересечении наук биологии, физики, химии, геологии и микробиологии. Ценность этих структур заключается в том, что они могут хранить секреты происхождения жизни и эволюции, которые ученые активно пытаются познать.
В статье, опубликованной в Trends In Microbiology, авторы размышляют о том, как же мягкий микробный мат может превратиться в твердую каменную структуру. Они предполагают, что этот переход происходит с помощью вирусов – группы микробов, которые часто остаются без внимания, если дело не касается здоровья.
По оценкам ученым, на нашей планете существует 15 миллионов различных видов живых организмов, из которых нам известно только около 2 миллионов. Также подсчитано, что один грамм почвы может содержать до 50,000 различных видов организмов, но в настоящее время большинство из них не изучено. Эти цифры ошеломляют, но они ничто по сравнению с предполагаемой глобальной численностью вирусов, составляющей 1031 (это в 10 раз больше, чем звезд на небе!). Вирусы не могут жить автономно, и поэтому они постоянно находятся в поисках нового хозяина и среды обитания. Считается, что вирусные инфекции вызывают 20 – 50%-ный оборот микробной биомассы в океанах (оборот биомассы определяется темпом отмирания и появления новых клеток).
Жизненный цикл вирусов довольно уникален. Для выживания им требуется хозяин, но их собственное выживание часто приводит к смерти хозяина, вынуждая их находить новый “дом” за относительно короткий срок. Чтобы продлить срок собственной жизни, вирусы адаптировали несколько тактик выживания:
- Самый простой метод: заражение клетки, ее перепрограммирование на воспроизводство вирусного генома, и последующий разрыв клетки. Такой механизм приводит к распространению большого числа копий вируса для заражения новых клеток. Этот процесс используется вирусами, имеющие литический цикл жизни, и, очевидно, что он достаточно разрушителен для зараженных клеток;
- Другой метод выживания – выход вируса из клетки путем почкования от клеточной мембраны, вместо ее разрушения;
- Некоторые вирусы являются лизогенными. Они оставляют за собой частичку своего генетический материал в геноме хозяина.
В каждом из описанных сценариев вирус изменяет поведение и жизненный цикл зараженной клетки.
Но какое отношение вирусная биология имеет к зарождению жизни на Земле и строматолитам? Уайт, Вишер и Бернс предположили, что вирусы могли изменить поведение присутствующих в экосистеме микробов, что привело к превращению микробных матов в твердые строматолитовые структуры. Это могло быть как прямое влияние (например, изменение метаболизма хозяина), так и косвенное (например, выработанная устойчивость к вирусам или лизис).
Для начала стоит обсудить косвенные механизмы, такие как лизис и устойчивость к вирусным инфекциям. Лизис вызывает распад клетки, и ее генетический материал попадает в окружающую среду. Эти материалы могут быть направлены на укрепление общей структуры биопленки или стать питательными веществами для других микробов в микробном мате, ускоряя процессы метаболизма, такие как фотосинтез. Также как наша иммунная система вырабатывает устойчивость к определенным бактериям, бактерии могут приобрести такую же устойчивость к вирусам. Такое поведение может повлиять на общий состав микробного мата и на вырабатываемые им внеклеточные вещества, которые, в свою очередь, изменяют общую структуру биопленки, приводя к окаменению.
Прямое влияние вирусов на структуру строматолитов может происходить несколькими путями. Вирусы обладают способностью присоединять свои гены к биологическим системам хозяина или же забирать гены хозяина себе. Например, vAMG – это гены, полученные вирусом от бактерии (хозяина), которые ускоряют метаболизм бактерий и приводят к изменению их биогеохимических циклов. Это преобразование изменяет структуру биопленки. Кроме того, вирусы могут присоединять или де-активировать гены хозяина, тем самым повышая шансы успешного для вируса контакта с клеткой хозяина, что полностью изменяет биологию биопленки.
Пока что эти предположения являются только теориями. Существуют ли какие-либо научные доказательства того, что взаимодействие вирусов с микробными матами приводит к переходу экосистем в состояние строматолитов? Чжуну Лана и его коллеги, в некотором роде, ответили на этот вопрос в своем исследовании, где утверждается, что вирусы присутствовали в строматолитах в эпоху эры Неопротерозой.
Мы находимся только на ранних этапах понимания взаимодействия вирусов и микроорганизмов, найденные в микробных матах. Тем не менее, я надеюсь, что вы видите насколько динамична может быть микробная жизнь. Она наполнена тайнами, которые на протяжении веков намекали на секреты нашего мира. По мере того, как технологии продолжают совершенствоваться, шаг за шагом исследователи будут ближе к пониманию этого взаимодействия, которое может скрывать разгадки к секретам нашей Вселенной.
Link to the original post: White, Richard Allen et al., Between a Rock and a Soft Place: The Role of Viruses in Lithification of Modern Microbial Mats Trends in Microbiology, 2020
Featured image: Wikicommons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stromatolites_in_Sharkbay.jpg
Перевод был сделан Марией Мартыновой
micro-bites.org 