Los científicos han descubierto cientos de virus inusualmente grandes que matan bacterias con capacidades normalmente asociadas con organismos vivos, borrando la línea entre los microbios vivos y las máquinas virales.
Estos fagos, abreviatura de bacteriófagos, llamados porque "comen" bacterias, son de un tamaño y complejidad considerados típicos de la vida, portan numerosos genes que normalmente se encuentran en las bacterias y usan estos genes contra sus huéspedes bacterianos.
La Universidad de California, Berkeley, los investigadores y sus colaboradores encontraron estos fagos enormes al buscar en una gran base de datos de ADN que generaron a partir de casi 30 ambientes terrestres diferentes, desde las tripas de bebés prematuros y mujeres embarazadas hasta las aguas termales tibetanas, unBiorreactor sudafricano, habitaciones de hospital, océanos, lagos y subterráneos profundos.
En total, identificaron 351 fagos enormes diferentes, todos con genomas cuatro o más veces más grandes que los genomas promedio de virus que se alimentan de bacterias unicelulares.
Entre estos se encuentra el bacteriófago más grande descubierto hasta la fecha: su genoma, de 735,000 pares de bases de largo, es casi 15 veces más grande que el fago promedio. Este genoma de fago más grande conocido es mucho más grande que los genomas de muchas bacterias.
"Estamos explorando los microbiomas de la Tierra, y a veces surgen cosas inesperadas. Estos virus de las bacterias son parte de la biología, de las entidades replicantes, de las que sabemos muy poco", dijo Jill Banfield, profesora de la Universidad de Berkeley y la Universidad de Berkeley.ciencia y ciencias ambientales, política y gestión, y autor principal de un artículo sobre los hallazgos que aparecen el 12 de febrero en la revista Naturaleza . "Estos fagos enormes cierran la brecha entre los bacteriófagos no vivos, por un lado, y las bacterias y Archaea. Definitivamente parece haber estrategias exitosas de existencia que son híbridos entre lo que consideramos virus tradicionales y organismos vivos tradicionales."
Irónicamente, dentro del ADN que estos fagos enormes arrastran son partes del sistema CRISPR que las bacterias usan para combatir los virus. Es probable que una vez que estos fagos inyecten su ADN en las bacterias, el sistema CRISPR viral aumente el sistema CRISPR de la bacteria huésped, probablemente principalmente para atacar a otros virus.
"Es fascinante cómo estos fagos han reutilizado este sistema que consideramos bacteriano o arqueal para su propio beneficio contra su competencia, para alimentar la guerra entre estos virus", dijo el estudiante graduado de UC Berkeley, Basem Al-Shayeb. Al-Shayeb y el investigador asociado Rohan Sachdeva son coautores de Naturaleza papel
nueva proteína Cas
Uno de los grandes fagos también es capaz de hacer una proteína análoga a la proteína Cas9 que es parte de la herramienta revolucionaria CRISPR-Cas9 que Jennifer Doudna de UC Berkeley y su colega europeo, Emmanuelle Charpentier, adaptaron para la edición de genes.El equipo apodó esta pequeña proteína CasΦ, porque la letra griega Φ, o phi, se ha usado tradicionalmente para denotar bacteriófagos.
"En estos fagos enormes, existe un gran potencial para encontrar nuevas herramientas para la ingeniería del genoma", dijo Sachdeva. "Muchos de los genes que encontramos son desconocidos, no tienen una función supuesta y pueden ser una fuentede nuevas proteínas para aplicaciones industriales, médicas o agrícolas "
Además de proporcionar una nueva visión de la guerra constante entre fagos y bacterias, los nuevos hallazgos también tienen implicaciones para las enfermedades humanas. Los virus, en general, transportan genes entre las células, incluidos los genes que confieren resistencia a los antibióticos. Y dado que los fagos se producen dondequiera que las bacteriasy Archaea viven, incluido el microbioma intestinal humano, pueden transportar genes dañinos a las bacterias que colonizan a los humanos.
"Algunas enfermedades son causadas indirectamente por fagos, porque los fagos se mueven alrededor de los genes involucrados en la patogénesis y la resistencia a los antibióticos", dijo Banfield, quien también es director de investigación microbiana en el Innovative Genomics Institute IGI e investigador de CZ Biohub ". Ycuanto mayor es el genoma, mayor es la capacidad que tiene para moverse alrededor de ese tipo de genes, y mayor es la probabilidad de que pueda entregar genes indeseables a las bacterias en los microbiomas humanos ".
Secuenciando los biomas de la Tierra
Durante más de 15 años, Banfield ha estado explorando la diversidad de bacterias, Archaea, que, según ella, son primos fascinantes de bacterias, y fagos en diferentes entornos alrededor del planeta. Lo hace secuenciando todo el ADN enuna muestra y luego unir los fragmentos para ensamblar borradores de genomas o, en algunos casos, genomas completamente curados de microbios nunca antes vistos.
En el proceso, descubrió que muchos de los nuevos microbios tienen genomas extremadamente pequeños, aparentemente insuficientes para mantener una vida independiente. En cambio, parecen depender de otras bacterias y arqueas para sobrevivir.
Hace un año, informó que algunos de los fagos más grandes, un grupo al que llamó fagos Lak, se pueden encontrar en nuestros intestinos y bocas, donde se alimentan de microbiomas intestinales y de saliva.
El nuevo Naturaleza el trabajo salió de una búsqueda más exhaustiva de fagos enormes dentro de todas las secuencias metagenómicas que Banfield ha acumulado, más nuevos metagenomas proporcionados por colaboradores de investigación en todo el mundo. Los metagenomas provienen de babuinos, cerdos, alces de Alaska, muestras de suelo, océanos, ríos, lagos y aguas subterráneas, e incluía a los bangladesíes que habían estado bebiendo agua contaminada con arsénico.
El equipo identificó 351 genomas de fagos que tenían más de 200 kilobases de largo, cuatro veces la longitud promedio del genoma de fago de 50 kilobytes kb. Pudieron establecer la longitud exacta de 175 genomas de fago; los otros podrían ser mucho más grandes que200 kb. Uno de los genomas completos, 735,000 pares de bases de largo, ahora es el genoma de fago más grande conocido.
Si bien la mayoría de los genes en estos fagos enormes codifican proteínas desconocidas, los investigadores pudieron identificar genes que codifican proteínas críticas para la maquinaria, llamada ribosoma, que traduce el ARN mensajero en proteína. Estos genes no se encuentran típicamente envirus, solo en bacterias o arqueas.
Los investigadores encontraron muchos genes para transferir ARN, que transportan aminoácidos al ribosoma para ser incorporados a nuevas proteínas; genes para proteínas que cargan y regulan los ARNt; genes para proteínas que activan la traducción e incluso partes del ribosoma mismo.
"Típicamente, lo que separa la vida de la no vida es tener ribosomas y la capacidad de hacer la traducción; esa es una de las principales características definitorias que separan los virus y las bacterias, la no vida y la vida", dijo Sachdeva. "Algunos grandesLos fagos tienen mucha de esta maquinaria traslacional, por lo que difuminan un poco la línea ".
Es probable que los fagos enormes usen estos genes para redirigir los ribosomas para hacer más copias de sus propias proteínas a expensas de las proteínas bacterianas. Algunos fagos enormes también tienen códigos genéticos alternativos, los tripletes de ácido nucleico que codifican un aminoácido específico, que podríaconfundir el ribosoma bacteriano que decodifica el ARN.
Además, algunos de los fagos enormes recientemente descubiertos portan genes para variantes de las proteínas Cas que se encuentran en una variedad de sistemas CRISPR bacterianos, como las familias Cas9, Cas12, CasX y CasY. CasΦ es una variante de la familia Cas12.Algunos de los fagos enormes también tienen matrices CRISPR, que son áreas del genoma bacteriano donde se almacenan fragmentos de ADN viral para referencia futura, lo que permite a las bacterias reconocer los fagos que regresan y movilizar sus proteínas Cas para atacarlos y cortarlos.
"La conclusión de alto nivel es que los fagos con genomas grandes son bastante prominentes en los ecosistemas de la Tierra, no son una peculiaridad de un ecosistema", dijo Banfield. "Y los fagos que tienen genomas grandes están relacionados, lo que significa que están establecidoslinajes con una larga historia de gran tamaño del genoma. Tener genomas grandes es una estrategia exitosa para la existencia, y una estrategia de la que sabemos muy poco ".
Los investigadores dividieron los 351 megafagos en 10 nuevos grupos, o clados, nombrados por palabras para "grande" en los idiomas de los coautores del artículo: Mahaphage sánscrito, Kabirphage, Dakhmphage y Jabbarphage árabe; Kyodaiphage japonés; Biggiephage australiano, Whopperphage estadounidense; Judaphage chino, Enormephage francés y Kaempephage danés.
El trabajo de UC Berkeley fue apoyado principalmente por el Innovative Genomics Institute IGI y los Institutos Nacionales de Salud. De los 45 coautores, 35 contribuyeron a la investigación mientras estaban afiliados a UC Berkeley: Banfield, Al-Shayeb, Sachdeva, Lin-Xing Chen, Fred Ward, Audra Devoto, Cindy Castelle, Matthew Olm, Keith Bouma-Gregson, Christine He, Raphaël Méheust, Brandon Brooks, Alex Thomas, Adi Lavy, Paula Matheus-Carnevali, Jennifer Doudna, Allison Sharrar, Alexander Jaffe,Rose Kantor, Ray Keren, Katherine Lane, Ibrahim Farag, Shufei Lei, Kari Finstad, Ronald Amundson, Karthik Anantharaman, Alexander Probst, Mary Power y Jamie Cate.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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