Pandoravirus в клітині амеби. Електронномікроспопічна фотографія.
“Вікно, прочинене у світ, що повністю зник, ймовірно, ще два мільярди років тому назад. Саме це ми знайшли у гігантському вірусі, котрий був нами названий пандоравірусом”. З таким припущенням звернувся біолог Жан-Мішель Клавері до голови Національного Центру Наукових Досліджень (CNRS), якому підпорядковується його лабораторія, розташована на території кампусу Люміні Марсельського університету.
“Це руйнує все. Тож, у цьому важко переконати”, – припускає він. Важко, але справу почато. У липні минулого року, Pandoravirus salinus, гігантський вірус, що був відкритий командою Клавері у пробах, взятих біля чилійського узбережжя, потрапив на обкладинку часопису Science. Чи виправдовуватиме знайдена командою Клавері скринька Пандори свою назву?
Гігантський вірус. Поєднання цих двох слів є сенсаційним. Чи справді віруси живі? Над цим питанням міркують і Нобелівські лауреати… зокрема й у галузі хімії, яка довела, що віруси складаються з білків та нуклеїнової кислоти. Згідно з канонами, встановленими батьками вірусології – такими, як нобелівський лауреат Андре Львов – вірус є часточкою, розміри якої менші 0,3 мкм. А його генетичний матеріал, що складається від двох до кількох десятків генів, є мінімальним вантажем для віріону – вільної часточки – “яка може проникнути в клітину й паразитувати там, захоплюючи контроль над її життєдіяльністю і змушуючи її відтворювати тисячі копій вірусу. У цьому були переконані біологи й так викладали до 2003 року”, – розповідає Шанталь Абержель (CNRS), головний співавтор статті.
Гіпотетичний LUCA, універсальний спільний першопредок
У 2003 році, Дідьє Рауль (CNRS, Марсель) та Жан-Мішель Клавері відкрили Mimivirus. У даному випадку, префікс “мімі” не означає “маленький” або “крихітний”, а має на увазі “вірус, який є схожим на бактерії”. Один британський дослідник приніс у лабораторію Рауля банку, у якій були амеби, відібрані в умовах лікарні, де за десять років до цього мали місце дивні випадки захворювання на пневмонію. Цей дослідник вирішив дослідити найпростіших за допомогою електронного мікроскопу, який є потужнішим, ніж оптичний мікроскоп. Тоді й були виявлені віруси, усередині амеб, розміри яких наближалися до одного мікрону, стандартного розміру бактерій.
Через рік, команда вчених опублікувала дані щодо геному цього вірусу: більше 1000 генів, – це руйнує догму. Ще один сюрприз полягав у тому, що вірус має два із семи ферментів такої клітинної органели, як рибосома, яка продукує білки за “планом” ДНК. Але за канонічним визначенням вірус не має рибосом.
Виникає два запитання, – пояснює Абержель. Ми маємо справу з унікальним випадком, відхиленням, чи ми виявили цілий таксон живого? Чи дозволять ці гігантські віруси наблизитися до вирішення проблеми гіпотетичного LUCA, “останнього універсального спільного предка” трьох доменів живого: бактерій, архей та еукаріотів (всі організми, клітини яких мають ядра, від амеби до слона)?
Вбивці водоростей та регулятори океанів
Для висвітлення цієї подвійної загадки, Жан-Мішель Клавері, разом зі своєю командою, розпочав полювання на гігантських вірусів. Де? “У морі. Точніше, в організмах морських найпростіших (одноклітинних еукаріотів)”, – пояснює Клавері. Це багатообіцяючий слід, оскільки один мілілітр морської води може містити понад десять мільйонів вірусних часточок. Біологічна інформатика – заглиблення в банки секвенованих ізолятів ДНК, виділених з тисяч морських організмів, зібраних експедицією Крега Вентера у 2004 – 2006 роках – показує, що існує незчисленна кількість гігантських вірусів, споріднених з Mimivirus. У 2009 році команда Клавері відкрила вірус, дещо менших розмірів – його геном складається з близько 500 генів – але здатний інфікувати нового хазяїна, одноклітинну водорість Phaeocystis globosa, яка є звичайним компонентом морського фітопланктону. Вона домінує біля берегів Атлантики та у північних морях. Вірус викликає припинення “цвітіння” цієї водорості, що вкриває білуватою піною пляжі. Гігантські віруси, представники родини, яка отримала назву Megaviridae, виявляються, таким чином, як і віруси маленьких розмірів, пов’язаними із загальним балансом морських екосистем. Це відкриття мало свій бонус… виявилося, що на гігантському вірусі паразитує дуже маленький вірус, котрий складається з 16 білків, який втратив свою “оболонку” (суперкапсид) і не може існувати без гігантського вірусу, – це вірус вірусу або вірофаг, що був відкритий командою Дідьє Рауля, яка також виявила у 2008 році Acanthamoeba castellanii mamavirus, ще один гігантський вірус.
Команда Клавері почала аналізувати зразки, зібрані біля берегів Чилі та Австралії океанографічними місіями. Подвійний виграш. Було відкрито нову родину вірусів та її першого представника Pandoravirus, “що стало справжньою сенсацією”, – розповідає Шанталь Абержель, – морфологія цього вірусу руйнує ще один догмат вірусології. Замість капсиду – цілісної й геометрично чіткої структури – Pandoravirus нагадує довгий м’яч для гри в регбі, з “ротом”, що немов двері у стіні, який вірус використовує для проникнення в свою жертву.
Аналіз Pandora salinus, здійснений Метью Лежандром (CNRS), виявив геном, що складається з 2 500 генів, а це становить понад 10% геному людини! Також, пояснює Клавері, “три чверті цих генів є унікальними і не схожі ні на які інші відомі гени представників усіх трьох доменів живого. Ідея про те, що гігантські віруси будуть схожими на LUCA, руйнується”.
Стратегія “командос”
Для Клавері ця невдача стала справжньою знахідкою. На його думку, якщо Pandoravirus salinus, як і Pandora dulcis , виявлений у австралійському ставку з прісною водою, жодним чином не можна вважати схожими на LUCA, це означає, що їхні унікальні гени є свідченням ще давнішої історії життя. Протягом того періоду, ймовірно два мільярди років тому назад, океани живили різноманітні форми життя, аж до найдавніших виявлених його слідів, котрі датуються 3,5 млрд. років. Але що саме відбувалося протягом цієї тривалої фази? На думку команди Клавері, генетичний матеріал пандоравірусів, збережений завдяки дуже слабкому тиску природного добору, міг би дати свідчення про “зниклий світ, що існував до LUCA, чи навіть про інше дерево життя, про “лузерів”, які не змогли вижити у якості паразитів “переможців” з-поміж нащадків LUCA”, – додає Шанталь Абержель.
Справжня відмінність між вірусами маленьких розмірів та гігантськими вірусами пояснюється їхньою еволюційною історією. Віруси маленьких розмірів переживали “редукційну” еволюцію, пояснює Клавері. Спеціалізовані паразити, їхній геном ставав усе меншим і меншим, поки не став дозволяти їм лише проникнення в клітини хазяїна та використання їх для власного розмноження. Природний добір у боротьбі проти захисту хазяїна зумовив використану цими вірусами еволюційну стратегію за принципом “командос”: йти на завдання без зайвого вантажу.
Гігантські ж віруси застосували протилежну логіку, зберігаючи численні функції та власними силами долучаючись до збирання макромолекул, які входять до складу віріону. “Коли ми культивуємо Pandoravirus salinus, – пояснює Абержель, – і спостерігаємо різні фази його життєвого циклу за допомогою електронного мікроскопу, ми бачимо, що його віріони збираються самостійно, вони самі себе будують, а це означає, що вірус певною мірою є автономним від свого хазяїна”.
Ввічлива суперечка
Такий погляд іноді викликає жваві заперечення. Патрік Фортер, мікробіолог (CNRS, Пастерівський Інститут), який дотримується часто революційних ідей стосовно еволюції, переконаний, що біологія досі недооцінює роль вірусів. Він був співавтором статті, опублікованої командою Рауля, у котрій йшлося про відкриття вірусу – “супутника” (Nature, 4/09/2008). Але він не повністю переконаний аргументами Клавері. Він впевнено просуває ідею про те, що, на його думку, віруси “є живими”, про що свідчить фаза їхньої репродукції всередині клітини. І він висловлює великий ентузіазм стосовно “екстраординарного відкриття пандоравірусів”. Але він вважає, що ця скринька Пандори містить й інші речі, окрім геному pré-LUCA. Він поділяє погляд на еволюцію вірусів як на “гармонійну узгодженість”. Схильні до “втрати, але також і до набуття генів”, віруси могли коливатися між станами “крихіток” та “гігантів” та презентувати усі можливі стани між цими двома крайнощами. При цьому, вони залишалися вірусами, тобто, “облігатними паразитами”.
Для Фортера, “гени, які не схожі ні на які інші” не є чимось ексклюзивним для гігантських вірусів. “Нещодавній сиквенс одного вірусу архей також виявив геном, гени якого не схожі ні на які інші відомі гени. В дійсності, це звичайна річ для вірусів. Вони здатні генерувати гени de novo під час реплікації свого геному”. На його думку: “Пандоравіруси, без сумніву, мають дуже давнє походження, як і еукаріоти, вік яких оцінюється у два мільярди років, але я відноситиму появу їхніх унікальних генів до часу, після появи LUCA”.
Викопні рештки Габону
Для вирішення цієї ввічливої суперечки буде необхідним більш повний аналіз геному пандоравірусів, знадобиться детальніше вивчення функціонування їхніх генів, тоді можна буде підтвердити або спростувати гіпотези Клавері. Сам Клавері вперто відкидає створення генів de novo, він це називає “створенням завдяки чуду”.
Ці дебати торкаються й інших питань. Припущений давній генетичний спадок цих гігантських вірусів можливо є пов’язаним зі зниклим світом макроскопічних істот, що був відкритий командою Абдельраззака аль-Албані (університет Пуатьє) в Габоні. У 2010 році, ця група вчених потрапила на обкладинку часопису Nature з викопними рештками складної природи, розміром до 12 сантиметрів, вік яких датується двома мільярдами років. З того часу, не було жодних спростувань цього сенсаційного відкриття.
Команда аль-Албані нещодавно опублікувала результати вивчення історії концентрації кисню в земній атмосфері. Вона зазнавала зростання протягом двохсот мільйонів років, а два мільярди років тому назад стався стрибок, після нього ще один, слабший, 1,8 мільярдів років тому назад, після чого був “мільярд нудних років”, коли дуже низький вміст кисню може бути пояснена тривалою стагнацією життя на мікроскопічному рівні.
Інше недавнє дослідження зафіксувало незначне збільшення вмісту кисню в атмосфері, котре мало місце ще давніше, три мільярди років тому назад. На думку міжнародної команди – її керівником є Дональд Канфільд (лауреат премії Європейського Союзу у галузі наук про землю за 2011 рік), геохімік, причетний до роботи аль-Албані – це ознака того, що тоді відбувався фотосинтез, звичайно, у дуже незначних масштабах, але у ту епоху цей процес уже мав місце.
Насамкінець, чи йдеться насправді про часи існування світу, який передував LUCA, чи віруси паразитували вже у клітинах? Більше двох мільярдів років, так, але наскільки більше? Щодо LUCA, можливо він був не унікальним організмом, а свідком фази різкого зменшення біологічного різноманіття, як на молекулярному рівні, так і на рівні організмів, свідком, якому вдалося пройти крізь “пляшкове горло”? Питання, які викликають гігантські віруси та макроскопічні габонські викопні рештки, показують, що тривала біологічна еволюція, котра передувала вибуховій появі складних форм 700 мільйонів років тому назад, залишається глибокою таємницею.
Джерело: Sciences.Blogs.Liberation
Переклад з французької: Юрій Косенко
Жан-Мішель Клавері, один з піонерів вивчення гігантських вірусів
