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 1023 вирусных инфекций, в результате чего возникает астрономическое число ГПГ. Это основа для инноваций и изменений в клетке-хозяине. Ежедневно происходит фантастическое (1027) 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 108вирусов. Человек не заболевает, и все же из этого правила бывают исключения (но только время от времени – см. главу о EHEC).
Фаги – вирусы бактерий
Фаги – это вирусы бактерий. Фаги были обнаружены Феликсом д’Эреллем из парижского Института Пастера в 1917 г. Стоит вспомнить, как были открыты фаги. Феликс д’Эрелль, самоучка, бесплатно работавший в Институте Пастера (он никогда не был штатным сотрудником института), заметил, что в чашке для культивирования некоторое количество бактериальных колоний неожиданно образовали светящееся кольцо. Причина возникновения такого кольца – лизированные бактерии. Из этой области д’Эрелль изолировал путем фильтрации бактериофаги или фаги – так он их назвал, поскольку считал, что в фильтрате находятся организмы, которые «поедают» (греч. phagein) бактерии. Открытие пенициллина произошло примерно так же. В этом случае бактериальные колонии были еще окружены прозрачными ореолами, что свидетельствовало об их гибели. Любопытно отметить: фаги и антибиотики до сих пор конкурируют друг с другом в том, что касается уничтожения бактерий. Д’Эрелль успешно уничтожил бактерию, вызывающую эпидемию диареи в Тунисе и других странах. Он подтвердил, что фаги неопасны, – пил фаг-содержащие растворы и не заболел. Он оказался прав. Химик Макс фон Петтенкофер тоже выпил содержимое стакана, полного холерных бактерий, чтобы доказать, что они безвредны. И хотя он был неправ, ему повезло, поскольку в стакане находились мертвые неактивные бактерии. Однако фаги д’Эрелля действительно были неопасны.
«Враг моего врага – мой друг». Неизвестно, руководствовался ли этим принципом д’Эрелль, но эта фраза бы вполне подошла. Уже в 1917 г. он сообщил, что фаги уничтожают бактерии. Он заметил, что бактерии, выделенные из образцов, полученных от солдат, переболевших дизентерией, исчезли в чашке с культурой, потому что там были фаги. Однако его коллеги-ученые не признали это открытие, поскольку не смогли воспроизвести полученные результаты, так как фаги и бактерии должны соответствовать друг другу, поскольку и те и другие характеризуются высокой селективностью и специализацией. Но это не относится к антибиотикам, которые неселективно ингибируют репликацию бактерий. Как правило, предварительное тестирование их эффективности не требуется. Их можно применять сразу же и легко использовать – принять таблетку без биологического тестирования. Вот многообещающие антибиотики и обошли фаги, разрушив надежды и планы д’Эрелля. Лечение антибиотиками полностью вытеснило фаговую терапию. На протяжении десятилетий фаги были исключены из исследований. Могу предположить, что в скором времени ситуация опять изменится из-за формирующейся у бактерий устойчивости к лекарствам, в силу чего для подбора нужного антибиотика требуется предварительное тестирование бактерий. Фаги ждет великое возвращение!
Фаги бактерии E. coli – рабочая лошадка фундаментальных исследований, были пронумерованы от типа 1 до типа 7. Было показано, что фаги способны связываться с поверхностью бактерий и вводить избранным бактериям свою ДНК, находящуюся на головке фага, через контрактильный хвост. На электронных микрограммах показаны фаги с симметричными головками и петлеобразными антеннами. Их внешний вид стал символом вирусов, несмотря на то, что не все вирусы выглядят одинаково. Существуют фаги, не имеющие хвостов или антенн. Кроме того, при подготовке фагов для электронной микроскопии антенны легко теряются. Честно говоря, было довольно трудно найти хорошие фотографии для этой книги. После попадания в бактерию у ДНК фага есть два варианта. Она может существовать в качестве эписомы вне бактериальной ДНК, часто в круглой форме, и реплицироваться там, обусловливая появление нескольких сотен потомков фагов и лизис бактерий. Или же ДНК фага может интегрироваться в хромосому хозяина – это безопасное место для вирусной ДНК, и обычно это безопасно для бактерии-хозяина. Такая ДНК, называемая ДНК профага, передается следующим поколениям бактерий. Много позже понятие «профаговая ДНК» использовал Хоуард Темин, но изменил его на «провирусную ДНК» для ретровирусов, которые также могут интегрироваться в качестве провирусной ДНК в хромосомы клетки-хозяина и передаваться следующим поколениям. Ретровирусы должны (заблаговременно) перенести генетический материал из РНК в ДНК, что является еще одним дополнительным шагом. Но и в остальном у фагов и ретровирусов много общего. Насколько же высок уровень консервативности на всем пути от фагов до ретровирусов! Это должно означать, что они родственны и этот механизм имеет серьезные преимущества с точки зрения эволюции.
