바이러스가 바다 미생물로부터 '훔치는' 유전자 식별

바다에서 영양소를 순환시키는 미생물은 스스로 일을 하지 않습니다. 그들을 감염시키는 바이러스도 그 과정에 영향을 미칩니다. 그것은 나머지 지구에 필수적인 일로, 바다가 대기 중 인간이 발생시킨 탄소의 절반을 흡수하고 우리가 호흡하는 산소의 절반을 생산할 수 있게 해줍니다.

새로운 연구를 통해 과학자들은 바이러스가 질소, 인, 특히 탄소와 같은 영양소 순환의 글로벌 해양 그림에서 어디에 속하는지 더욱 완벽하게 이해하는 데 더 가까이 다가갔습니다. 이 연구는 바이러스와 바이러스가 감염시킨 광합성 세포 사이에서 유전자가 교환될 수 있다는 20년 된 발견을 광범위하게 확장하고, 그 뒤를 이은 바이러스와 대사에 대한 100개 이상의 논문에서 얻은 데이터를 통합합니다.

오하이오 주립 대학이 이끄는 연구팀은 Microbiome 저널에 바이러스가 전 세계 해양에서 감염시킨 해양 미생물에서 "훔친" 유전자 카탈로그를 만들었다고 보고했습니다. 과학자들은 보조 대사 유전자(AMG)로 알려진 약 23,000개의 유전자를 식별하여 정리했는데, 여기에는 이전에 기록된 적이 없는 7,000개 이상이 포함됩니다. 분석 결과 해양 바이러스 집단의 약 5분의 1이 최소한 하나의 AMG를 가지고 있는 것으로 나타났습니다.

바이러스의 역할에 더 많은 맥락을 더하기 위해 연구자들은 바다의 미생물에 기인한 340개의 대사 경로를 매핑했습니다. 이는 유기체가 생존 필요에 따라 분자를 소비하고 생성함으로써 발생하는 영양소 균형의 변화입니다. 과학자들은 그 중 바이러스 AMG가 128개 경로에 매핑되어 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 바이러스가 이러한 과정의 37% 이상에 영향을 미쳤다는 의미입니다.

"우리는 아직 바이러스의 영향 범위를 모릅니다. 하지만 이제 바이러스가 AMG를 통해 표적으로 삼는 경로를 알게 되었으므로, 대사 모델링 접근 방식을 사용하여 바이러스가 숙주 커뮤니티와 해양 기능에 미치는 영향을 정량적으로 추정할 수 있습니다." 오하이오 주립대에서 미생물학 박사 과정 학생으로 연구를 완료한 첫 번째 연구 저자인 푸닝 티안이 말했습니다.

"향후 모델링 작업에는 이러한 경로를 통해 발생하는 대사 플럭스를 증가 또는 감소시키고 바이러스의 영향이 어떻게 변하는지 확인하는 것이 포함될 수 있습니다."

티안과 공동 주저자인 오하이오 주립대 미생물학 박사후 연구원 제임스 와이나이나는 원핵생물, 즉 전 세계 바다에 떠다니는 박테리아와 다른 단세포 생물을 감염시키는 DNA 바이러스에 초점을 맞췄습니다.

와이나이나와 티안은 오하이오 주립대 미생물학 교수이자 미생물군 과학 센터의 창립 이사인 매튜 설리번이 이끄는 연구실의 일원이었습니다.

설리번은 기후 변화가 세계 해양에 미치는 영향에 대한 3년간의 글로벌 연구인 타라 오션 컨소시엄의 바이러스 코디네이터였습니다. 이 국제 협력의 일환으로 그는 이전 연구를 주도하여 해양에서 약 200,000개의 DNA와 5,500개의 RNA 바이러스 종을 카탈로그화하고 바이러스가 기후 변화를 완화할 수 있는 잠재력을 확인했습니다.

Tian과 Wainaina는 이 연구를 위해 7.6테라바이트의 Tara Oceans 메타게놈 시퀀스 데이터를 분석하여 알려진 해양 DNA 바이러스 개체군을 579,904개로 늘렸습니다. 이 개체군에서 팀은 바이러스 게놈에 위치한 보조 대사 유전자를 식별하기 위해 많은 계산 단계를 거쳤습니다.

그들은 보수적으로 22,779개의 시퀀스 기반 유전자 클러스터로 그룹화된 총 86,913개의 AMG를 식별했습니다. 그 중 7,248개는 처음으로 식별되었습니다. 바이러스는 감염시킨 미생물 세포에서 이러한 유전자를 꺼내 자신의 게놈에 통합합니다. 바이러스의 생존을 보장하는 방식으로 숙주 세포의 기능을 재프로그램할 수 있는 힘을 줍니다.

"보조 대사 유전자의 문제점은 사람들이 그것이 존재한다는 것을 알고 있지만 유전자가 세포 사본과 비슷하다는 것입니다. 그래서 바이러스 사본과 미생물 사본을 구별하는 것이 중요합니다."라고 와이나이나는 말했습니다.

Tian은 "거짓 양성을 최소화하기 위해 우리는 바이러스 게놈 세그먼트에 있는 AMG에만 집중하도록 큐레이션 단계를 밟았습니다."라고 말했습니다.

그런 다음 그들은 게놈 데이터를 추가로 분석하여 대사 경로를 확인했습니다. 각각은 세포의 기능을 변화시키는 일련의 관련 행동으로, 특정 미생물 종으로 추적할 수 있으며, 340개의 그러한 경로를 밝혀냈습니다. 연구자들은 "도난당한" 유전자의 새로운 카탈로그를 통해 이러한 경로 중 128개가 바이러스 AMG의 표적이 되었음을 발견했습니다.

"그게 우리의 큰 발견이에요." 티안이 말했다. "이 논문이 나오기 전에는 지구 해양 전체에 걸쳐 미생물에 얼마나 많은 대사 경로가 인코딩되어 있는지 알 수 없었고, 그 중에서도 AMG를 통해 바이러스가 얼마나 많은 경로를 표적으로 삼는지에 대한 이해는 더욱 부족했습니다."

와이나이나는 "단지 바이러스의 수만이 중요한 것이 아니라 바이러스가 관여하는 특정 경로가 중요합니다. 이를 통해 바이러스가 바다에서 재프로그래밍하고 조작하는 생지화학적 순환이 결정됩니다."라고 덧붙였습니다.

설리번은 AMG 카탈로그와 대사 경로 매핑은 미생물군 공학 실험과 모델링을 위한 기반을 제공하며, 이를 통해 연구자들은 해양 생지화학적 과정에서 바이러스의 역할에 대해 보다 정확한 예측을 내릴 수 있다고 말했습니다.

"대부분의 현재 모델은 바이러스를 전혀 포함하지 않으며, 일부 모델만 미생물을 포함합니다."라고 그는 말했습니다. "바이러스와 그 영향을 새로운 예측 모델로 가져오는 데 중요한 이러한 데이터를 생성했다는 것은 흥미로운 일입니다."

이 연구는 미국 국립과학재단, 고든 앤 베티 무어 재단, 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회, 캐나다 혁신재단, G. Unger Vetlese 및 Ambrose Monell 재단, 오하이오 슈퍼컴퓨터 센터의 지원을 받았습니다.

Tian은 현재 University of Chicago의 생물정보학자이고, Wainaina는 Woods Hole Oceanographic Institution의 Biology Department에서 조수 과학자로 일하고 있습니다. 추가 공동 저자로는 Ohio State의 Cristina Howard-Varona, Guillermo Domínguez-Huerta, Benjamin Bolduc, Garrett Smith, Marissa Gittrich, Olivier Zablocki, Dylan Cronin, Viromica Consulting의 Maria Consuelo Gazitúa, Nantes Université의 Damien Eveillard, University of British Columbia의 Steven Hallam이 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241017112343.htm