溫泉巨型病毒或為推動早期生命演化關鍵

許多學者都認為,美國黃石國家公園含大量微生物的溫泉,可能與早期地球生命出現條件有關。最新刊於《通訊生物學》的研究表明,所謂的「巨型病毒」在這些原始生態系統中,可能有推動生命演化的重要角色。

自 2003 年被發現以來,巨型病毒一直讓生物學家感到驚訝。它們的基因組不單比大多數病毒大很多倍,體積亦比一些細菌大,並且具有細菌和其他細胞生命形式的一些特徵。除了熱泉外,生物學家也在深海中發現隱藏在紅藻基因組中的巨型病毒。因此,德國杜塞爾多夫大學生物化學家 Andreas Weber 形容,巨型病毒是時間囊,為了解早期真核生命提供窗口。

美國羅格斯大學基因組科學家 Debashish Bhattacharya 的團隊調查了黃石公園酸性很強的檸檬水溪 (Lemonade Creek) ,其溫度徘徊在 44°C 左右。雖然該小溪的底部有厚的綠色生物層,但其主要組成物是紅藻。而團隊從該生物層、鄰近土壤以及附近岩石之間的空間採集樣本,並對找到的所有 DNA 進行測序。

團隊在剔除古菌、藻類和細菌中所有已知的 DNA 序列後,找到約 3,700 種潛在病毒 DNA ; 令團隊驚訝的是,其中近三分之二屬巨型病毒。透進一步電腦分析,團隊拼湊出大約 25 種不同類型病毒的大部分基因組,並可能是透過感染紅藻來進行繁殖。

由於溫泉的出現和消失會隨地質時間推移而變化,團隊原本認為這些巨型病毒都不會很古老,並推測每當某個地方出現溫泉時,新病毒就會從較冷的環境中遷移並適應高溫。不過,新發現的生物分子卻顯示,這些巨型病毒和宿主之間有古老關係。

團隊指,發現的巨型病毒蛋白具有長期居住在溫泉中的特徵。與適應較溫和條件的蛋白質相比,它們往往具有更緊密更短的環。此外,巨型病毒的 DNA 偏向具有與其他溫泉生物相同的三鹼基編碼。當團隊根據新測序的病毒和其他病毒基因重畫病毒系譜時,發現溫泉巨型病毒在病毒歷史中很早就出現了分支,這些病毒與紅藻的關系甚至可能可追溯到 15 億年前。

無參與是次研究的蒙大拿州立大學名譽環境病毒學家 Mark Young 表示,研究支持「只要有細胞生命存在,病毒就存在」的觀點,而病毒的存在時間至少和細胞生命一樣長。

發現也可能有助解決演化難題。許多溫泉生物都互相借用基因來應對高溫和砷等毒素,但藻類等更複雜的生命體,到底如何做到這一點卻至今都難以理解。現時很多學者認為,巨型病毒可能很容易從細菌和古菌中獲取基因,並將之傳遞給受感染的真核生物。如真的有這個角色,巨型病毒可能在溫泉生物群落的長期穩定中是非常重要。

Bhattacharya 則懷疑,溫泉巨型病毒還有另一個功用,就是當它們感染藻類細胞時,會導致藻類細胞分裂,使其細胞質可供其他細胞在營養稀缺的極端環境中生長。

此外,團隊又發現幾個採樣位置,即使只相距數厘米,樣本中的巨型病毒群落已有驚人差異。這些群落如何以及為何如此孤立是另一個謎團,表明人類對巨型病毒的多樣性和作用所知甚少。

來源:

Science, Giant viruses played a key role in early life, study in Yellowstone hot spring suggests

報告:

Benites, F.L., Stephens, T.G., Van Etten, J. & et al. (2024). Hot springs viruses at Yellowstone National Park have ancient origins and are adapted to thermophilic hosts. Commun Biol 7, 312. doi: 10.1038/s42003-024-05931-1

文/AC

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