人生的定義是什么？

最重要的基礎(chǔ)之一是產(chǎn)生新的后代。

病毒作為一種特殊的生命形式，似乎正在接近生命與非生命的界限，人類一直在尋找病毒的具體起源。

噬菌體是一種侵入細(xì)菌的病毒。它是病毒中最常見、分布最廣的群體。噬菌體非常小，但結(jié)構(gòu)良好。它們通常攜帶宿主細(xì)菌的一些基因，并利用這些基因?qū)顾拗骷?xì)菌。

最近，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了加州大學(xué)伯克利分校的一篇重要研究論文:《地球生態(tài)系統(tǒng)中的大階段分支》。

在這項(xiàng)研究中，研究人員從近30種不同的環(huán)境中分離并鑒定了351種巨型噬菌體。最大的基因組長(zhǎng)達(dá)73.5萬個(gè)堿基對(duì)，比普通噬菌體大15倍，甚至比很多細(xì)菌還大。這些巨型噬菌體的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了非生物噬菌體與細(xì)菌和古細(xì)菌之間的空空白。

這些噬菌體來自近30種不同的環(huán)境。

值得一提的是，CRISPR基因編輯的先驅(qū)Jenniner Doudna教授也是本文的作者之一。

噬菌體通常有更小的基因組，依靠細(xì)菌宿主進(jìn)行復(fù)制。然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種巨型噬菌體，它們攜帶大量宿主細(xì)菌蛋白質(zhì)，并利用這些蛋白質(zhì)更有效地控制宿主細(xì)菌。這些蛋白質(zhì)包括那些參與核糖體組成和CRISPR-Cas細(xì)菌免疫系統(tǒng)的蛋白質(zhì)。從這個(gè)角度來看，巨型噬菌體就像是微生物和病毒的混合物。

研究人員從近30種不同的環(huán)境中分離并鑒定出351種巨型噬菌體。

DNA測(cè)序結(jié)果顯示，這些巨型噬菌體的基因組比普通噬菌體大4倍以上，最大的噬菌體基因組為73.5萬個(gè)堿基對(duì)，幾乎是普通噬菌體的15倍，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的噬菌體基因組。更令人驚訝的是，已知最大的噬菌體基因組甚至比許多細(xì)菌的基因組還要大！

更有趣的是，這些巨大噬菌體的大部分DNA是——CRISPR-Cas系統(tǒng)，它編碼細(xì)菌對(duì)抗噬菌體的免疫系統(tǒng)。研究人員推測(cè)，很可能是巨大的噬菌體將這些DNA插入宿主細(xì)菌的DNA中，增強(qiáng)了宿主細(xì)菌的CRISPR-Cas系統(tǒng)對(duì)其他病毒的免疫力，從而減少了來自其他病毒的競(jìng)爭(zhēng)。此外，由巨型噬菌體編碼的CRISPR-Cas系統(tǒng)具有沉默宿主轉(zhuǎn)錄和翻譯的能力，并將宿主細(xì)菌中的生物合成重定向到噬菌體的蛋白質(zhì)合成。

加州大學(xué)伯克利分校的研究生、本文第一作者巴塞姆·阿爾-沙耶布說:“有趣的是，這些噬菌體改變了我們的認(rèn)知——CRISPR-CAS系統(tǒng)不僅僅是細(xì)菌或古細(xì)菌，它們利用自身優(yōu)勢(shì)對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)，從而引發(fā)了這些病毒之間的戰(zhàn)爭(zhēng)?！?/p>

這些新發(fā)現(xiàn)除了為巨型噬菌體與同行和宿主細(xì)菌之間的戰(zhàn)爭(zhēng)提供了新的見解外，還對(duì)人類疾病的治療和預(yù)防產(chǎn)生了影響。噬菌體通常在宿主細(xì)菌之間攜帶基因，包括毒性基因和抗生素抗性基因。噬菌體經(jīng)常出現(xiàn)在細(xì)菌和古菌生活的地方，包括人體腸道微生物區(qū)系，因此可以將有害基因帶入人體細(xì)菌。

新Cas蛋白

研究表明，一些巨型噬菌體攜帶在各種細(xì)菌CRISPR-Cas系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的Cas蛋白變體的基因，如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。

在這項(xiàng)研究中，研究人員在這些巨大的噬菌體中發(fā)現(xiàn)了一種新的CAS蛋白，他們將其命名為CAS，Cas是Cas12家族的變體。

Sachdeva說:“在這些巨型噬菌體中，我們發(fā)現(xiàn)的很多基因都是未知的。它們沒有假定的功能。它們可能是工業(yè)、醫(yī)療或農(nóng)業(yè)應(yīng)用的新蛋白質(zhì)來源，并有望為基因組工程帶來新的工具?！?/p>

核糖體相關(guān)蛋白基因

加州大學(xué)伯克利分校教授、本文記者吉利安·班菲爾德(Jillian F . Banfield)15年來一直在探索細(xì)菌、古細(xì)菌和噬菌體的多樣性。她的團(tuán)隊(duì)對(duì)DNA樣本進(jìn)行測(cè)序、拼接和組裝，并進(jìn)行了相應(yīng)的生物信息學(xué)分析。

在這項(xiàng)研究中新發(fā)現(xiàn)的351個(gè)巨型噬菌體中，班菲爾德和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了許多編碼未知蛋白質(zhì)的基因，這些基因?qū)颂求w翻譯至關(guān)重要。但根據(jù)以往的研究，這些基因通常不存在于病毒中，而存在于細(xì)菌或古細(xì)菌中。

這些在巨型噬菌體中發(fā)現(xiàn)的核糖體相關(guān)蛋白包括tRNA基因、裝載和調(diào)節(jié)tRNA的蛋白基因、啟動(dòng)翻譯的蛋白基因，甚至是編碼核糖體本身的基因。

巨噬細(xì)胞很可能利用這些基因改變核糖體方向，以宿主細(xì)菌蛋白合成為代價(jià)合成更多的噬菌體蛋白。此外，一些巨型噬菌體的基因含有特殊的密碼子，這些密碼子可能不被細(xì)菌本身的核糖體識(shí)別。因此，正常翻譯需要編碼核糖體。

文章第一作者Sachdeva說:“通常區(qū)分生命和非生命的基礎(chǔ)是核糖體和翻譯能力；這是區(qū)分病毒與細(xì)菌、非生命和生命的主要特征之一。但是我們的研究發(fā)現(xiàn)，一些大型噬菌體也有這樣的翻譯機(jī)制，所以這些發(fā)現(xiàn)使得生命和非生命的界限更加模糊。”

總之，本研究從近30種不同環(huán)境中分離鑒定出351種巨型噬菌體，并對(duì)其進(jìn)行了DNA測(cè)序和生物信息學(xué)分析。他們的研究結(jié)果表明，巨型噬菌體攜帶CRISPR-Cas系統(tǒng)和核糖體翻譯相關(guān)基因，使得病毒與細(xì)菌、非生命與生命的界限更加模糊。