Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter
"С тех пор мы прошли долгий путь, - продолжила она, рассказывая о прогрессе в этой области с 2008 года, - все больше и больше се-квенирования вириопланктона из океанов. Кроме того, появилось больше данных, с которыми можно сравнивать".
Новизна того, чем занимались Уильямсон и ее команда в 2008 году, побудила ученых из JCVI создать новый инструмент, который они назвали геномикой одиночных вирусов. "Этот инструмент позволил нам вычленять отдельные вирусы из образцов окружающей среды, - говорит Вил-лиамсон, - чтобы мы могли проследить весь их геном с помощью ам-плификации и затем увеличить библиотеку эталонных геномов. Именно исследование Sorcerer вдохновило нас на эту разработку, потому что анализ был настолько сложным и порой разочаровывающим".
Первым и самым очевидным открытием команды Уильямсон стало огромное количество вирусов в образцах. "Уже в самом начале стало ясно, что вирусы - это действительно самые разнообразные и самые распространенные биологические существа на планете", - сказала она, подтвердив "то, на что намекали другие исследования".9 Подавляющее большинство вирусов были бактериофагами. "Мы увидели гораздо меньше вирусов, которые могли бы заразить более крупные макроорганизмы, такие как рыбы и люди".
Неожиданное открытие произошло после того, как генетический анализ вирусов позволил предположить, что образцы могли быть случайно загрязнены бактериями или другими организмами - в этом случае некоторые последовательности, помеченные как вирусные геномы, могли на самом деле включать гены бактерий, не связанных с вирусами. "Но это было не так", - говорит Уильямсон. "На самом деле эта ДНК была частью вирусов, которые они захватили у бак-терий". Это была ДНК, которую бактерии использовали для производства энергии и выполнения других важных функций, а вирусы взяли на себя.
"В то время традиционное представление о вирусах в окружающей среде, в частности в морской, заключалось в том, что они несут в себе гены, необходимые для репликации инфекции, - продолжает Уильямсон, - и не несут в себе много дополнительной ДНК или другого генетического материала. Но мы начали видеть гены, которые обычно встречаются у более крупных организмов, участвующих в различных видах метаболизма, таких как азотный метаболизм и фотосинтез. Мы поняли, что вирусы заселяют бактерии и передают бактериоподобные гены своему хозяину. Они использовали эти гены для поддержания жизнедеятельности хозяина в течение длительного периода времени, повышая уровень поглощения энергии и эффективность репликации". Другими словами, этот коварный захват генов помогал вирусам дольше поддерживать жизнь своих жертв, давая им больше времени для репликации.
"Оказывается, вирусы прекрасно умеют переносить гены", - добавила она. "Они могут заразить хозяина, взять несколько его генов - например, для метаболизма азота - и затем реплицироваться, вырваться из клетки, заразить другого хозяина, и у них есть возможность сбросить эти гены. Таким образом, они похожи на маленьких водителей UPS в поисках гена азота, который, в конечном счете, мог бы сделать эти бактерии более успешными". Очевидно, что если вирус уничтожит клетку-хозяина, он больше не сможет существовать. Это постоянное балансирование между сохранением жизни хозяев, чтобы вирусы могли реплицироваться и контролировать популяции бактерий.
Для вирусов, как оказалось, время - это все, то есть точный момент, когда они сталкиваются с хозяином, и какие условия складываются в этот волшебный момент. "Это не минута спустя или две минуты, - говорит Уильямсон, - но бактерии, на которые нападают вирусы, постоянно меняются, поэтому то, какие вирусы где появляются, зависит от жизненного цикла хозяина. Такие факторы, как время, необходимое конкретному хозяину, чтобы удвоить свою популяцию, скорость его роста". Очень тонкие изменения температуры, солености и прочего также приводят в движение сложный, обширный и потенциально смертельно опасный танец между вирусами и хозяевами, который может меняться каждую секунду, что делает безумно сложным для ученых отслеживание или понимание широких закономерностей, как эти крошечные кластеры ДНК и РНК заражают клетки, мутируют и повторно заражают другие клетки.
Некоторые критиковали усилия "Колдуна" за то, что он брал случайные образцы по всему миру, а не повторял пробы на одном и том же участке в течение определенного периода времени. Последний подход облегчает выявление закономерностей, позволяя с большей вероятностью предсказать, какие бактерии и какие вирусы когда появятся. "Но эти случайные пробы дали нам представление о том, сколько всего существует в мире, о чем мы не знали", - говорит Уильямсон. "Это была отправная точка". Она считает, что работа Sorcerer вдохновила людей на проведение более масштабных исследований с использованием метагеномики, которыми стало легче управлять по мере совершенствования технологии и удешевления se-квантования. Помогает и то, что сейчас "так много сегодня существует больше метагеномных наборов данных по вирусам", поэтому "сравнение с другими исследованиями сейчас очень полезно".
Едва PLoS Biology выпустил сборник "Метагеномика океана 2007", Крейг и его команда в JCVI занялись очередной колоссальной загрузкой необработанных геномных данных, использованных для анализа, в общедоступные базы данных. Это включало передачу в цифровом виде 7,7 миллиона генов, которые команды JCVI обнаружили в бактериальных образцах, а также тысячи вирусных пептидных se-последовательностей и вирусных скаффолдов и почти шесть миллионов белков, охарактеризованных группой Шибу Йоосефа.
Но Крейг и компания выложили в открытый доступ не только все эти молекулярные данные. Они также загрузили атомные данные (включая измерения температуры и солености, место, где был собран каждый образец, и многое другое) в совершенно новую базу данных и аналитический инструмент под названием Cyberinfra-structure for Advanced Marine Microbial Research and Analysis (CAMERA). Эта уникальная база данных была разработана JCVI в сотрудничестве с новым компьютерным и IT-центром UCSD под названием Calit2, который получил грант на эти цели от Фонда Мура.
CAMERA стала темой заключительной статьи в специальном сборнике PLoS Bi-ology, автором которой является специалист по вычислительной биологии из JCVI Реха Сешадри. В ней она описывается как "современный вычислительный ресурс с программными инструментами для расшифровки генетического кода сообществ микроорганизмов в мировом океане". Сешадри и ее соавторы рассказали, как этот новый ресурс "поможет ученым понять, как микробы функционируют в своих естественных экосистемах, позволит изучать влияние человек оказывает влияние на окружающую среду, а также позволяет заглянуть в эволюцию жизни на Земле".
"Метагеномика способна пролить свет на генетический контроль этих
