Срити в необятните океански простори и заровени дълбоко в сибирската вечна замръзналост, съществуват гиганти – не сини китове и мамути, а гигантски вируси

„Един ден открихме много странен звяр, който никой не можеше да характеризира. Той не реагираше на обичайните тестове за бактерии.", разказва за откритието си през 2003 г в бактериалната геномика Жан-Мишел Клавери (Jean-Michel Claverie), сега полупенсиониран биоинформатик в университета Екс-Марсилия.

Това откритие ще промени кариерния му път и ще започне нова ера в микробиологията.

Растящ в гостоприемник амеба, този „звяр“ е бил изолиран от водоохладителна кула в Англия след епидемия от пневмония десетилетие по-рано. Той изглеждал и действал като паразитна бактерия, но било невъзможно да бъде извлечен с помощта на установените протоколи, нито да бъде амплифициран с помощта на универсални 16S rDNA бактериални праймери. Едва когато Клавери и колегите му го изследвали под мощен електронен микроскоп, осъзнали, че това изобщо не е бактерия – това бил огромен вирус. 

В биологията амплификацията означава създаване на много копия на специфична ДНК последователност (както при PCR тест) или увеличаване на броя на генните копия в клетката, което често води до повече генни продукти (РНК/протеин). Това е фундаментална концепция за репликацията на ДНК, генетичното тестване (PCR) и разбирането на болестите, включваща както in vivo (в живи клетки), така и in vitro (лабораторни) методи.

16S rDNA бактериални праймери са къси ДНК последователности, насочени към консервативни региони на бактериалния 16S рибозомен РНК ген, което позволява универсална амплификация на бактериална ДНК чрез PCR за идентификация и изследвания на микробиома.

„Това промени живота ми, по същество“, спомня си Клавери.

Наречен „мимивирус“ заради начина, по който имитира микробната плячка на амебата, той има икосаедричен (двадесетостенен) капсид с диаметър около 400 нанометра – много по-голям от типичните вируси, което го прави неспособен да преминава през стерилизиращи филтри от 0,2 микрона. Геномът му също е огромен, с 1,2 мегабази двуверижна ДНК. Екипът си задава въпроса дали това е природно чудо или има още такива гигантски вируси, скрити на видно място. Те започда търсят и бавно, но сигурно, вселената от гигантски вируси започна да се разширява.

Сега, повече от 20 години след първоначалното им откритие, тези загадъчни организми продължават да озадачават и очароват както учените, така и обществеността. Ясно е, че гигантските вируси са многобройни и разнообразни: Изследователите са ги открили да се крият в необятните океански простори, заровени в сибирската вечна замръзналост, дълбоко в бразилската Амазония и в гори, езера и реки по целия свят. Но що се отнася до биологията и еволюцията на гигантските вируси, все още има много повече въпроси, отколкото отговори.

Гигантски вируси в океана: Вирусният шунт

Сива сканираща електронна микрография показва голяма клетка от кръгли морски водорасли, от която изригват шестоъгълни гигантски вирусни частици.Гигантските вируси играят ключова роля в морските хранителни вериги, като заразяват водорасли и протисти. Тук могат да се видят шестоъгълни гигантски вирусни частици, изригващи от морски водорасли. Кредит: Grieg Steward and Christopher Schvarcz, University of Hawaii, Manoa

Интересът на морския микробиолог Мохамед Монирузаман (Mohammed Moniruzzaman) се засилва, когато неговият докторант открива гигантски вируси, заразяващи океански водорасли.

„Бях силно изненадан, гледайки тези гигантски вируси“, разказва микробиологът. „Те имат стотици килобази геном и стотици до хиляди гени. Това наистина ме очарова."

Сега в собствената си лаборатория в Университета на Маями, Монирузаман продължава да изучава гигантските вируси в морските екосистеми и как те влияят на своите гостоприемници.

Оказва се, че гигантските вируси в океана играят ключова роля в морската хранителна мрежа - чрез заразяване на фотосинтезиращия фитопланктон и протисти, те допринасят за поглъщането на въглерода от океана, осигурявайки т. нар. „вирусен шунт“.

Терминът „шунт“ се използва в електрониката, медицината и в железопътния транспорт, като най-общо означава връзка за отклоняване на токове, телесни течности или отклонява влак от основното трасе.

„Ако тези микроби бъдат убити от вируси, въглеродът, който те усвояват, потъва на дъното на океана и не е достъпен като храна за организмите [от по-високо ниво]“, обяснява Клавери.

Всъщност около една трета от океанския планктон се убива от вируси всеки ден. Без тях, добавя Клавери, „След по-малко от една или две седмици океанът ще изглежда като спаначена супа."

Монирузаман и колегите му наскоро са идентифицирали и секвенирали геномите на повече от 200 нови гигантски вируса, изолирани от различни места в световните океани.

„Само на едно конкретно място можем да открием стотици от тях“, разказва Монирузаман.

Той добавя, че последната им работа е показала, че „сме изолирали повече от 500 почти пълни генома на гигантски вируси от една проба в океана“.

Клавери обяснява, че гигантските вируси са толкова повсеместни, че той и екипът му просто са спрели да се опитват да изолират и секвенират геномите на отделни вируси. Вместо това, изследователите се фокусират върху молекулярната биология на гигантските вируси и как те се репликират.

За да изследва връзките между гигантските вируси и техните гостоприемници, екипът на Монирузаман ги изучава в култура, заразявайки водорасли и изследвайки молекулярната биология на тези взаимодействия.

„Наистина искаме да разберем какво се случва в наномащаб, за да можем да [правим изводи] за резултата от инфекцията“, каза Монирузаман. „Какви хранителни вещества се освобождават, когато вирусът зарази клетката? Как това влияе върху физиологията на гостоприемника?"

Възраждане на зомби вируса: Опасни ли са гигантските вируси?

Ледена пещера, езерото Байкал.Изменението на климата може да ускори освобождаването на древни патогени, „пътуващи във времето“ от топящата се вечна замръзналост, което представлява значителен риск за околната среда и човечеството, според ново глобално проучване. Тези древни патогени биха могли потенциално да оцелеят и да процъфтяват в съвременната среда, което подчертава значението на разбирането и подготовката за подобни заплахи. Ледена пещера, езерото Байкал. Кредит: Adobe Stock Images (свободен лиценз) Andrew

Понякога изследванията на Клавери се отклоняват в сферата на противоречивото. През 2012 г. той прочита проучване, което описва отглеждането на растения от жизнеспособни семена, открити във вкаменели катеричи дупки, заровени в сибирската вечна замръзналост. На Клавери му хрумва луда идея.

„[Помислих си] „Ако тези хора са способни да съживят растение, ние би трябвало да можем да съживим вирус“. Затова им се обадихме“, спомня си Клавери.

За щастие, екипът успява да проучи същите проби, от които успешно изолира два гигантски вируса. Невероятно, но дори след епохи върху леда, древните вируси можеха да бъдат съживени и да заразят своите амебни гостоприемници. Медийното внимание е значително и Pithovirus sibericum, 30 000-годишен гигантски вирус, скоро става известен като „зомби вирус“.

Впоследствие Клавери и екипът му събрали и тествали още проби, с който се занимават дълго време.

„Всяка една проба, която използвахме, успяваше да ни даде нов вирус“, съобщава микробиологът.

Най-старият зомби вирус, възроден от екипа на Клавери, датира отпреди 50 000 години, а в момента те работят с проби отпреди 300 000 години.

Възраждането на зомби вируса бе посрещнато с обществена загриженост. Според Клавери обаче страховете около това изследване са били неоправдани. Той обяснява, че екипът му прагматично работи само върху гигантски вируси, които заразяват амеби, за да намали риска от огнища на човешки заболявания.

Клавери заявява, че истинската опасност се крие в ефектите от изменението на климата и други антропогенни фактори – вечната замръзналост се размразява все повече всяка година и има активни усилия за добив на ценни минерали.

„Няма причина да не се предположи, че ако [гигантските вируси, заразяващи амеби] биха могли да оцелеят толкова дълго във вечната замръзналост, други вируси също да могат да оцелеят“, смята Клавери.

Използвайки метагеномен подход, Клавери и колегите му са идентифицирали много роднини на съвременните човешки патогени, дебнещи във вечната замръзналост, включително поксвируси и херпесни вируси. Руски изследователи наскоро заявиха, че се опитват да съживят вируси от вечната замръзналост, които са способни да заразят мамути.

„Не мисля, че това е добра идея“, коментира Клавери.

Дебатът за еволюцията на гигантските вируси

Друг ключов аспект от изследванията на Монирузаман е еволюцията на гигантските вируси – тема, по която той и Клавери имат противоречиви теории. Монирузаман и някои други изследователи предполагат, че гигантските вируси са започнали малки и са придобили гени по пътя си.

„[Други изследователи] са показали, че предшественик на гигантския вирус не е бил толкова голям“, обясни Монирузаман. „Те са имали основен набор от гени и с течение на времето са придобили много гени, които бавно са ги превърнали в по-големи частици."

Клавери категорично не е съгласен.

„В момента смятам, че гигантски вируси са се появили по пътя на редукцията“, отбеляза той. „Те са [еволюирали от] организми, които всъщност са били дори по-големи по отношение на броя на гените, отколкото са. И както всички паразити, те губят гени с течение на времето."

Последните изследвания биха могли да подкрепят по-малко популярната теория на Клавери. Характеристиката, която отличава вирусите от еукариотните клетки, е че те нямат апарат за транслация на протеини. Въпреки липсата на рибозома обаче, някои гигантски вируси имат гени, които кодират важни механизми за транслация на протеини, като например аминоацил трансфер РНК синтетази.

„За мен това е реална индикация за редукционен механизъм [че гигантските вируси] губят гени, защото не се нуждаят от тях“, коментира Клавери.

Концепцията, с която Клавери и Монирузаман са съгласни, е че гигантските вируси са крадци.

„Те наистина крадат гени от своите гостоприемници“, обяснява Монирузаман, добавяйки, че той и неговите колеги „смятат, че тези вируси всъщност използват тези гени, за да манипулират определени метаболитни пътища или процеси на гостоприемника по време на инфекция. Наличието на копие на същата функция, която има гостоприемникът, понякога помага на вируса, например, да преодолее определено метаболитно пречка или да потисне някакъв вид имунен отговор на гостоприемника."

Още тайни, скрити в геномите на гигантски вируси

Ключов фактор, който прави изучаването на еволюцията на гигантските вируси толкова трудно, е че техните геноми са много разнообразни.

„Когато открихме първия вирус „Пандора“, мисля, че броят на гените беше близо 90 процента, които нямаха абсолютно нищо общо с нищо, включително [еукариотните] гени“, разказва Клавери. Използвайки AlphaFold , изследователите разкриват някои предполагаеми протеини от геномите на гигантските вируси, но по-голямата част от гените остават загадка.

Някои гигантски вируси, като вирусите „Пандора“, открити от екипа на Клавери в Австралия, могат дори да създават гени de novo (от нулата).

„Тоест, има некодираща ДНК, която премахва стоп кодона и изведнъж става възможно тя да бъде транслирана, и те създават шантав протеин, който не прави нищо [веднага]“, разказва Клавери. „Но след това те започват да еволюират и някои от тях се стабилизират по време на еволюцията и започват да изпълняват функция."

Електронно-микроскопски снимки на изолати на пандоравирус чрез негативно оцветяване (a,c). (a) Pandoravirus massiliensis; (b) Pandoravirus pampulha; Електронно-микроскопски снимки на изолати на пандоравирус чрез негативно оцветяване (a) или след включване (b). (a) Pandoravirus massiliensis; (b) Pandoravirus pampulha; Кредит: Wikimedia Commons 

Според Клавери загадъчните геноми на гигантските вируси биха могли да бъдат съкровищница; вирусите използват същите градивни елементи като еукариотните клетки, но по някакъв начин могат биохимично да ги манипулират, за да произведат молекули, които са напълно различни от тези, създадени от еукариотните клетки.

„Това всъщност би могло да бъде фантастична мина за иновации във фармацевтичната индустрия, но не мисля, че са го осъзнават“, отбелязва микробиологът.

Изследванията на Монирузаман върху геномите на гигантски вируси също дават някои интригуващи резултати. В едно проучване той демонстрира, че гигантските вируси могат да интегрират целите си геноми в тези на своите гостоприемници. Още по-интересно е, че някои от интегрираните елементи всъщност могат да осигурят известна полза за гостоприемника, като реагират на специфични стресови фактори на околната среда, като температура и UV радиация.

„Идеята вирусите да останат в по-приятелски [връзки] с гостоприемниците си е много вълнуващо“, добавя Монирузаман.

Неотдавна в общността на изследователите на гигантските вируси възникна дебат, след като група китайски изследователи предположиха, че някои гигантски вируси биха могли да бъдат резервоар на гени за антибиотична резистентност. Твърдението бързо бе опровергано, след което авторите на идеята отвръща, настоявайки, че първоначалните им твърдения са верни. Монирузаман се включва в дебата и заявява, че проблемът е онтологичен.

„Разбира се, гигантските вируси не могат да бъдат убити с помощта на антибиотици, така че [гените за антибиотична резистентност] не могат да направят нищо. Те може да имат хомоложни гени в себе си, но тези гени не е задължително да изпълняват същата функция."

Клавери добавя, че не гигантските вируси трябва да са причина за безпокойство; въпреки че никой все още не знае защо, неговите метагеномни изследвания на проби от вечна замръзналост показват, че древните бактерии са изключително богати на гени за антибиотична резистентност.

„С топенето на повърхностния слой на вечната замръзналост това може да освободи бактерии, които носят тези гени, и тъй като ДНК може да се трансформира в съвременни бактерии, тези стари гени за резистентност всъщност биха могли да се размножават от съвременните бактерии“, посочва Клавери.

Справка:

1.     Scola BL, et al. A Giant Virus in Amoebae. Science. 2003;299(5615):2033-2033.
2.     Minch B, Moniruzzaman M. Expansion of the genomic and functional diversity of global ocean giant viruses. Npj Viruses. 2025;3:32. doi:10.1038/s44298-025-00122-z
3.     Yashina S, et al. Regeneration of whole fertile plants from 30,000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost.Proc Natl Acad Sci. 2012;109(10):4008-4013. doi:10.1073/pnas.1118386109
4.     Schulz F, et al. Giant viruses with an expanded complement of translation system components. Science. 2017;356(6333):82-85.
5.     Moniruzzaman M, et al. Widespread endogenization of giant viruses shapes genomes of green algae. Nature. 2020;588(7836):141-145.
6.     Yi X, et al. Giant viruses as reservoirs of antibiotic resistance genes. Nat Commun. 2024;15(1):7536.
7.     Barth ZK. Giant virus genomes are unlikely to be reservoirs of antibiotic resistance genes. Nat Commun. 2025;16(1):8539.
8.     Yi X, et al. Reply to: Giant virus genomes are unlikely to be reservoirs of antibiotic resistance genes. Nat Commun. 2025;16(1):8540.

Източник: What Are Giant Viruses, and Are They Dangerous?, Rebecca Roberts, PhD, The Scientist