Autor: Jan Toman
Rozsáhlý molekulárně-biologický průzkum ukázal, že nám podstatná část pozemských virů stále uniká. Velkým překvapením je zejména existence obřích virů cílících na bakterie, které by možná jednou mohly odpovědět na otázku, jak viry jako takové vznikly.
Viry nejsou pouze nepříjemnými původci nemocí, ale také nedílnou složkou pozemské biosféry. Nový výzkum zaměřený na bakteriální viry – bakteriofágy či fágy – přítomné v různých prostředích ukázal, jak málo tuto skupinu pozemských organismů známe. Vědci objevili celou skupinu dosud neznámých obřích bakteriofágů. Tyto viry délkou svého genomu několikanásobně překračují obvyklé normy. Ve své genetické informaci navíc obsahují mnoho genů, pomocí kterých sofistikovanými způsoby manipulují hostiteli. Některé z nich se nápadně podobají mechanismům využívaným jednoduchými parazitickými a symbiotickými bakteriemi, což značí, že se z podobných organismů – možná – mohly vyvinout. V každém případě jsou obří fágy skupinou s na viry velmi specifickým stylem „života“, která si z teoretického i praktického hlediska zaslouží naši pozornost.
Zemi stěží můžeme označit za planetu lidí. Zatímco bez naší přítomnosti by si modrá planeta hravě poradila, řada rostlin a zvířat – stromy počínaje a žížalami konče – zůstává pro fungování ekosystémů nezbytná. Ještě podstatnější roli hrají mikrobi a mezi nimi zejména bakterie. Bez těchto organismů by zkolabovaly cykly většiny prvků a podstatná část obyvatel naší Země vymřela hlady. V neposlední řadě navazují mikrobi pevná spojenectví se složitějšími organismy, které díky tomu dokážou účinně trávit živiny nebo se bránit před nebezpečnými parazity. Trefnější by proto možná bylo o Zemi mluvit jako o planetě bakterií. Z nejnovějšího výzkumu však vyplývá, že nejtrefnější může být „planeta virů“. Ukazuje se totiž, že dosud známé viry představují pouhý vrcholek ledovce celkové různorodosti těchto enigmatických parazitů na pomezí živého a neživého.
Objevy nových virů by nás vlastně neměly překvapovat. Udává se, že v každém milimetru krychlovém mořské vody plavou miliony až desítky milionů virových částic. Spíše než ve vodě, se tedy život rozvíjel v husté virové polévce. Vzhledem k tomu, že většinu buněčných organismů na Zemi tvoří bakterie, je jen logické, že většina virů bude cílit právě na ně. Bakteriofágy jsou v souladu s tím jednou z nejpočetnějších skupin těchto parazitů.
Bakteriální viry zdaleka nejsou pouhými nebezpečnými patogeny. Díky upřednostňování různorodých hostitelů udržují v ekosystémech křehkou rovnováhu. Mohou také do své genetické informace zapojovat kusy hostitelské DNA a předávat je dalším buňkám. Vlivem tohoto horizontálního genového přenosu přeskakují různé genové varianty i mezi velmi vzdálenými evolučními liniemi. Bakteriofágy kromě toho často modulují životní pochody svých hostitelů, což může ovlivňovat fungování celých společenstev. V neposlední řadě potom kvůli destruktivnímu účinku na bakteriální populace usnadňují rozptylování živin na zemském povrchu.
Už jen kvůli velké početnosti bakteriofágů se dalo čekat, že mnoho z nich dosud unikalo naší pozornosti. Pravý rozsah naší nevědomosti ale zdokumentovali až členové rozsáhlého mezinárodního vědeckého týmu, kteří o svých objevech nedávno publikovali článek v prestižním vědeckém časopise Nature.
Vědci nejprve nasbírali vzorky z nejrůznějších prostředí – moří, řek, jezer a usazenin na jejich dnech, horkých pramenů, půd a dolů, budov či lidských a zvířecích slin a výkalů. Následně pomocí molekulárně-biologických metod vytřídili genetický materiál, který jasně náležel bakteriálním virům. Tyto úseky genetické informace výzkumníci s pomocí počítačových programů pročetli, zkontrolovali a zařadili do dalších analýz. Co je ale nejdůležitější, na rozdíl od předchozích studií podobného ražení využili techniky, které jim umožnily identifikovat i viry s výrazně větším genomem, než jaký se obecně pokládá za normální.
Celkově vědci rekonstruovali genomy 351 bakteriofágů, z nichž některé dosahovaly vskutku obřích rozměrů. Běžný genom bakteriálních virů je dlouhý okolo 200 kilobází (zjednodušeně můžeme říct 200 000 „písmen“ DNA). Obří fágy jsou však několikanásobně větší. Největší zdokumentovaní zástupci v této studii hravě překonali 600 kilobází. Rekordmanem se potom stal virus s délkou genomu 735 kilobází, což je zároveň největší zdokumentovaný bakteriofág vůbec. Význam tohoto objevu výmluvně dokládá fakt, že studie významně posunula odhadovanou střední velikost pozemských fágů.
Nalezené genomy obřích bakteriofágů se svou délkou dokonce přibližují nejmenším známým bakteriálním genomům. Ty jsou typické pro parazitické zástupce či druhy bakterií žijící v symbióze s jinými buňkami. Jak přitom uvidíme dále, nemusí se vůbec jednat o náhodu. Některé indicie totiž naznačují, že by velké bakteriofágy mohly s nejmenšími bakteriemi sdílet více než povrchní podobnosti.
V dalším kroku vědci manuálně rekonstruovali genomy 35 obřích bakteriofágů, aby se mohli podívat, zda jsou tyto viry zvláštní i něčím dalším než jen svou velikostí. Ukázalo se, že ano. Kromě genů řídících skládání viru či rozpad hostitelské buňky, které bychom u bakteriofágů čekali, totiž obří fágy v sobě nesou geny pro pestrou škálu biologických funkcí.
Některé jejich geny například kódují bílkoviny bakteriální buněčné stěny. Ukazuje se přitom, že mohou zvyšovat její odolnost k nákaze dalšími viry. To může být výhodné jak pro hostitele, tak pro virus – nemusí se o svou buňku s nikým dělit. Další geny obřích bakteriofágů významně ovlivňují metabolismus bakterií ve prospěch virů. Rozsáhlá třída objevených genů potom slouží k ovládnutí hostitelského aparátu výroby bílkovin – jak přepisu z „archivu“ DNA do „pracovní“ RNA, tak, a to hlavně, překladu z RNA do finálních bílkovin.
Obří fágy rovněž nesou (podobně jako některé další viry) geny pro vytváření membrán v hostitelských buňkách. Tyto „jádro připomínající kompartmenty“ chrání virální elementy před obranou hostitele. Obří bakteriální viry tedy sice nejsou buněčnými organismy, v tomto ohledu se jim ale nápadně blíží. Celá řada jejich genů pro manipulaci s RNA a DNA na molekulární úrovni se navíc nápadně podobá genům malých parazitických a symbiotických bakterií. Ty se samozřejmě mohly dostat do virů již zmíněným mechanismem horizontálního genového přenosu. Nelze ale vyloučit ani možnost, že obří bakteriofágy a nejmenší bakterie sdílejí společného předka, nebo že se dokonce tyto fágy zjednodušením bakterií vyvinuly.
Posledním dvěma možnostem nepřímo nahrává i další objev, podle kterého jsou si obří bakteriální viry relativně příbuzné a tvoří samostatné linie pomyslného stromu života (či snad ne-života – pro rýpaly, kteří zatvrzele odmítají, že by viry mohly být živé). Prokazatelně se tedy nejedná o nezávislé případy náhodného zvětšení virů a s velkou pravděpodobností jsou obří bakteriofágy velmi staré. Tomuto závěru nasvědčuje i skladba hostitelů. Jednotlivé linie obřích bakteriofágů totiž přednostně cílí „své“ linie bakterií – nejčastěji ze skupin Firmicutes, Proteobacteria a Bacteroidetes.
Dalším zajímavým objevem je, že obří bakteriofágy zpravidla kódují i systém CRISPR-Cas. O něm jste možná slyšeli v souvislosti s budoucností genového inženýrství. Původně se ale jedná o typ bakteriálního imunitního systému, který dokáže nastříhat genomy útočících virů a tyto úseky zabudovat do DNA. Buňka podle tohoto „návodu“ následně viry identifikuje a ničí dříve než stačí nadělat škodu.
Přítomnost genů pro CRISPR-Cas u virů již zdokumentovaly některé dřívější studie. V žádné z nich se ale neukázala taková bohatost různých verzí tohoto sytému jako u obřích bakteriofágů. Některé verze fágového CRISPR-Cas jsou plně funkční, jiné méně, a ještě jiné jsou patrně modifikované pro odlišné účely. Funkční CRISPR-Cas patrně slouží k obraně před konkurenčními fágy či zneškodnění stejného systému bakterií. Účelem upravených verzí může být například opanování hostitelského systému pro vytváření bílkovin s cílem překládat přednostně virální proteiny.
Obří fágy tedy nemůžeme jen tak označit za další typ bakteriálních virů. Na rozdíl od typických bakteriofágů totiž využívají vlastní, daleko složitější, „životní“ strategie, které se v mnoha ohledech podobají spíše malým parazitickým bakteriím. Jedná se o jejich příbuzné, nebo dokonce potomky? To zatím nevíme. Jisté však je, že nám další průzkum virové diverzity přinese nová překvapení a díky molekulárně-biologické vynalézavosti těchto organismů patrně i nové molekulární nástroje využitelné v medicíně či zemědělství 21. století.
Zdroj: Al-Shayeb B, Sachdeva R, Chen LX, … & He C (2020): Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems. Nature, 578.