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病毒是生命嗎？這是一個至今仍讓生物學(xué)家頭疼的問題。病毒具有一些生命特征，比如它具有遺傳物質(zhì)（DNA/RNA）和蛋白質(zhì)；但它又不完全是生物，它必須依賴別的宿主細(xì)胞才能生存。因此目前，生物的三域分類（細(xì)菌域、古菌域、真核域）中并不包含病毒。主流生物學(xué)也更多地將病毒視為一種特殊介于生命與非生命之間的 類生物 。
2 月 12 日，一篇發(fā)表于《自然》雜志的研究報告了數(shù)百種異常巨大的噬菌病毒，這些病毒因可以 吃 掉細(xì)菌而被稱為 噬菌體 。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些巨型噬菌體與全球的微生物環(huán)境息息相關(guān)；更有意思的是，它們所具有的一些特征，讓微生物與病毒之間的界限變得更加模糊了。
噬菌體攜帶大量通常存在于細(xì)菌中的基因，并且能利用這些基因來對付它們的細(xì)菌宿主。新論文中所報告的這些巨型噬菌體發(fā)現(xiàn)于一個大型的 DNA 數(shù)據(jù)庫，這個數(shù)據(jù)庫中包含了來自全球近 30 個不同環(huán)境的 DNA 數(shù)據(jù)，從早產(chǎn)兒和孕婦的內(nèi)臟到青藏高原的溫泉，從南非的生物反應(yīng)器到醫(yī)院的病房，從湖泊海洋到地下深處
從這些數(shù)據(jù)中，研究人員一共鑒別出了 351 種不同的巨型噬菌體。加州大學(xué)伯克利分校的地球和環(huán)境科學(xué)教授Jill Banfield是這篇論文的一名合著者，她已經(jīng)對地球上不同環(huán)境中的微生物群落研究了超過 15 年，她介紹說，在研究過程中，時常會有意想不到的事情出現(xiàn)，比如這些以細(xì)菌為獵物的巨型噬菌體就是一個例子。
Banfield 說，噬菌體 是生物學(xué)的一部分，可我們卻對其知之甚少。這些巨型噬菌體填補(bǔ)了噬菌體與細(xì)菌和古生菌之間的空白。它們必然有一些成功的生存策略，是我們所認(rèn)為的傳統(tǒng)病毒和傳統(tǒng)生物體的混合體。
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一年前，Banfield 和她的團(tuán)隊就曾報告過一些巨型噬菌體，她稱之為 Lak 噬菌體，可以在人類的腸道和口腔中找到，以腸道和唾液中的微生物為食。在新的研究中，他們對巨型噬菌體展開了更加全面深入的研究。除了在使用之前所積累的所有元基因組之外，他們還從全球的合作者那里獲得了新的元基因組。這些元基因組有的來自狒狒、豬、阿拉斯加駝鹿、土壤樣本、海洋、河流、湖泊和地下水，其中還包括一直飲用被砷污染的水的孟加拉國人。
他們鑒別出了 351 個長度超過 200 kb（千堿基）的噬菌體基因組，是噬菌體基因組平均長度的 4 倍。他們確定了其中 175 個噬菌體基因組的確切長度，并且還發(fā)現(xiàn)了一個長 735 kb 的全基因組。這是目前已知最大的噬菌體基因組，幾乎是普通噬菌體的 15 倍，它甚至比許多細(xì)菌的基因組都要大得多。
雖然目前研究人員尚不清楚這些巨型噬菌體中的大多數(shù)基因所編碼的究竟是什么蛋白質(zhì)，但他們識別出了那些可以編碼對核糖體來說至關(guān)重要的蛋白質(zhì)的基因。這些基因通常不存在于病毒中，只存在于細(xì)菌或古生菌中。
核糖體可以將信使 RNA轉(zhuǎn)譯為蛋白質(zhì)，通常來說，是否擁有核糖體和轉(zhuǎn)譯能力是生命體和非生命體的區(qū)別所在，是區(qū)分病毒和細(xì)菌、生命和非生命的一個主要特征。生物學(xué)家在一些巨型噬菌體中發(fā)現(xiàn)過很多這樣的轉(zhuǎn)譯機(jī)制，因此說噬菌體讓生命和非生命的界限變得有些模糊。
除此之外，研究人員還從這些噬菌體中發(fā)現(xiàn)了許多別的基因，比如能將氨基酸帶到核糖體，使其整合到新的蛋白質(zhì)中的轉(zhuǎn)運 RNA（tRNA），還有能用來編碼可裝載和調(diào)節(jié) tRNA 的蛋白質(zhì)的基因，以及一些可以啟動轉(zhuǎn)譯的蛋白質(zhì)基因，甚至還發(fā)現(xiàn)了一些核糖體本身的片段。
巨型噬菌體很可能利用這些基因改變核糖體，讓它們以犧牲細(xì)菌蛋白為代價為自身復(fù)制更多蛋白。一些巨型噬菌體還有替代的遺傳密碼，可以編碼一種特殊的氨基酸，從而有可能混淆解碼 RNA 的細(xì)菌核糖體。
正在感染一個細(xì)菌細(xì)胞的巨型噬菌體（左側(cè)紅色）和正常大小的噬菌體。巨型噬菌體會將其 DNA 注入宿主細(xì)胞，通常只存在于細(xì)菌和古菌中的 Cas 蛋白，會操縱宿主細(xì)胞對其他病毒的反應(yīng)。 圖片來源：Jill Banfield 實驗室 / UC Berkeley
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)在這些巨型噬菌體所攜帶的 DNA 中，還有細(xì)菌用來對抗病毒的CRISPR系統(tǒng)。其中一種巨型噬菌體還能制造出一種類似于Cas9的蛋白質(zhì)，Bandfield 的團(tuán)隊將這種小蛋質(zhì)命名為Cas ，因為生物學(xué)中有用希臘字母 來表示噬菌體的習(xí)慣。
Banfield 認(rèn)為，一種很可能的情況是，當(dāng)這些噬菌體將它們的基因注入細(xì)菌之后，病毒的 CRISPR 系統(tǒng)就會增強(qiáng)宿主細(xì)菌的 CRISPR 系統(tǒng)，讓其主要應(yīng)對其他病毒。
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研究人員將這 351 個巨型噬菌體分為 10 個新的群類，并且用論文合著者的所在國家所說的語言中，表示 巨大 的詞來對其命名：
梵文：Mahaphage
阿拉伯語：Kabirphage、Dakhmphage、Jabbarphage
日語：Kyodaiphage
英文（澳）：Biggiephage
英文（美）：Whopperphage
中文：Judaphage
法文：Enormephage
丹麥語：Kaempephage
巨型噬菌體系譜圖，左邊列出的是 10 個新發(fā)現(xiàn)的巨型噬菌體群。 圖片來源：Jill Banfield 實驗室 / UC Berkeley
從新的研究中，Banfield 總結(jié)道： 基因組較大的噬菌體在地球生態(tài)系統(tǒng)中相當(dāng)顯著，而不是某個生態(tài)系統(tǒng)的獨有的。而擁有大基因組的噬菌體是相互關(guān)聯(lián)的，這意味著這些已經(jīng)建立的譜系有著很長的大基因組歷史。擁有大型基因組是一種成功的生存策略，而我們對這種策略仍知之甚少。
新發(fā)現(xiàn)的很多基因都是未知的，它們沒有既定的功能，因此研究人員認(rèn)為，從這些巨型噬菌體中有望能找到可用于基因組工程的新工具，使它們成為可用于工業(yè)、醫(yī)療或農(nóng)業(yè)的新蛋白質(zhì)來源。
此外，新的發(fā)現(xiàn)還可能對人類疾病產(chǎn)生影響。比如噬菌體與細(xì)菌的一些耐藥性有關(guān)，以人類的腸道微生物群為例，它們可以把有害的基因帶到人體菌群中去。 有些疾病是由噬菌體間接引起的，因為噬菌體會在與發(fā)病機(jī)制和抗生素耐藥性有關(guān)的基因周圍移動， Banfield 說。 基因組越大，它們在這類基因周圍移動的能力就越大，向人類微生物群落中的細(xì)菌傳遞不良基因的可能性也就越大。
