一起吃的微生物可能受益于共享的免疫记忆

病毒是地球上最丰富和多样化的生物实体，生活在各种类型的栖息地中。仅在海洋中，病毒就比微生物丰富十倍。

病毒通过感染生物体进行复制，从人类和动物到昆虫，甚至微生物。虽然感染微生物的环境病毒不是最近的发现，但它们的流行程度以前并不为人所知。研究人员现在才开始了解病毒的多样性及其在生态系统中的影响和功能。

发表在《自然微生物学》(Nature Microbiology)上的一项新研究检查了在深海中感染微生物的病毒，并发现了病毒与比以前认为的更多样化的宿主相互作用的证据。这项研究的结果可能有助于更好地了解病毒和工程病毒疗法。

主要作者博士候选人Yunha Hwang和资深作者Peter Girguis教授都在生物与进化生物学系，在2021年在墨西哥瓜伊马斯盆地的一次探险中从深海热液喷口微生物垫中收集了样本。这些微生物垫由大量的细菌和古细菌组成，这些微生物在这些生态系统中占主导地位。两者都是微生物，但细菌和古菌是非常不同的分类群;就像细菌与人一样不同。

虽然天壤之别，但许多古菌和细菌通过共生关系生存下来。在热液喷口，细菌和古菌形成物质，可以利用这些环境中发现的甲烷的能量。虽然这种关系对于生存是必要的，但它并没有改变这两个谱系在生物学上非常不同的事实。这使得Hwang和Girguis更加惊讶地发现细菌和古菌都对相同的病毒具有免疫力。

“当我们看到结果时，我们感到困惑，”Hwang说，“因为无论它们是否共生，感染机制都被认为是非常复杂和宿主特异性的。如果古菌和细菌如此不同，一种病毒怎么能同时感染这两种病毒呢?”这个问题促使研究人员思考病毒与感染以外的微生物相互作用的所有不同方式。

大多数关于病毒的工作都是在具有一种培养物和一种病毒的实验室中进行的。研究直到最近才开始扩展到自然环境，这需要使用不同的工具，因为微生物不容易在实验室中培养。

“我们知道自然界中约有百分之九十九或更多的微生物无法在实验室中培养，”Hwang说，“现在我们能够在不培养海洋或土壤中的东西的情况下对微生物DNA进行测序。有了这个，我们可以问，'那里的病毒是什么，它们的相互作用是什么?

在加入Girguis的实验室之前，Hwang研究了沙漠环境中的病毒，并观察到自然界中的宿主 - 病毒相互作用比实验室环境中更加微妙。与沙漠土壤相反，深海喷口拥有大型微生物垫，数十亿微生物参与共生关系。在观察这些独特的环境时，研究人员问道，如果微生物生活在如此高的密度下，是否有病毒具有更广泛的“宿主范围”?换句话说，它们是否能够感染各种微生物?

他们从样本中对DNA进行了测序，并回收了微生物和病毒的宏基因组组装基因组。他们使用CRISPR垫片(编码微生物的免疫记忆)来推断微生物对样本中的哪些病毒免疫。

为了证实他们的发现，他们采用了一种称为Hi-C(高通量染色体构象捕获)测序的新技术。如果在细胞内发现病毒DNA，Hi-C技术可以对交联的病毒和宿主DNA进行测序。通过发现病毒DNA和微生物DNA之间具有统计学意义的接触，研究人员可以证实他们的发现，即病毒DNA不仅存在于一种类型的细胞中，而且存在于系统发育上遥远的细胞中。

“CRISPR间隔分析和Hi-C数据显示出一种惊人的模式，即病毒在基因组上与非常遥远的微生物相互作用，特别是那些彼此共生的微生物，”Hwang说，“这种相互作用导致了一种非常有趣的现象，共生微生物携带针对相同病毒的免疫记忆，这意味着共生伙伴合作的优势也存在于他们的免疫力中。我们已经在细菌种群中看到了这一点，但我们还没有在远亲物种中看到它。这是一个相当尖锐的发现，因为它揭示了自然环境的相互联系。

“Yunha非常聪明地设计了一个实验，利用通风微生物垫来更好地了解病毒在微生物密度非常高的栖息地中的作用，”Girguis说，“她在古菌和细菌的基因组中寻找模式也非常周到。CRISPR间隔器和Hi-C数据向我们表明，细菌以某种方式与古细菌相同的病毒相互作用，这是完全野生的。

这项研究挑战了病毒与一小部分宿主相互作用的传统观点。虽然研究人员仍在收集一种病毒感染这两种截然不同宿主的直接证据，但数据清楚地表明细菌和古菌对同一病毒具有免疫力的证据。

这些结果促使Hwang和Girguis提出了不同的宿主 - 病毒相互作用模型，其生态和进化意义超越了感染。他们认为，病毒与非病毒主要宿主的微生物的相互作用实际上可能在自然界中普遍存在，特别是在微生物以共生关系存在的情况下。同一种病毒不太可能同时感染细菌和古细菌，“Hwang说。“相反，我们建议一方在非传染性接触病毒后获得并保持免疫力，和/或免疫力在共生伴侣之间水平转移。

自然环境中宿主-病毒相互作用的多价性质，以及感染以外的多种相互作用模式，是研究人员转向将病毒用于生物技术和医学应用的重要考虑因素，例如在肠道等自然环境中进行病毒治疗。