海底神偷是你?前所未見的棘手新病毒

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海中生物豐富度,遠超乎想像!

地球上到底有多少種生物一直是科學家們爭論不休的話題,其中,浩瀚海洋中擁有豐富且多樣的生態,更是讓科學家們趨之若鶩的神祕領域。過去,現代植物學奠基人-瑞典的林奈 (Carl Linnaeus, 1707-1778) 在他的年代估算大約有 7,000 種植物;1836 年達爾文開始撰寫進化論手稿時,已知有超過六萬種植物。到了 2016 年,美國印第安納大學(Indiana University)教授 Jay Lennon 表示,地球上的物種數量高達萬億,是以前估算數值的 10 萬倍,但目前人類已認知的物種數量,卻只有物種數量總量的十萬分之一!試想,若在一毫升的水中都可以發現上千萬的病毒,那麼到底有多少生物存在於我們肉眼看不見的世界 ? 真是難以想像!

隨著科技越來越進步的今日,許多過去神秘的物種陸續被發現。最近,來自麻省理工學院的環境微生物學家馬丁·波爾茲(Martin Polz)與其研究團隊,以及紐約阿爾伯特愛因斯坦醫學院 (Albert Einstein College of Medicine) 的研究人員,發現一個前所未聞的病毒家族,這個家族不僅在海洋中居主導地位,甚至可能已經存在我們的腸道中。

地球上存在最多的病毒是所謂的雙鏈 DNA (dsDNA)病毒。病毒可能是促使微生物進化、群落組成和死亡率的主因。雖然它們在海洋中的主要作用直到 20 世紀 90 年代才得到承認,但病毒可感染的物種數量是影響物種間基因轉移和病毒感染傳播的關鍵。在這些病毒中,「尾巴」品種(它們的尾狀結構被用來感染細菌)已被廣泛研究,有尾噬菌的病毒(Caudovirales)特徵常被當作載體,也是科學界知名的病毒。

被無尾病毒感染的海洋細菌,其細胞壁是長雙線,病毒是中心為黑色的點狀物。來源:MIT News

被無尾病毒感染的海洋細菌,其細胞壁是長雙線,病毒是中心為黑色的點狀物。來源:MIT News

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新發現病毒,竟有強大破壞力

本次研究中,Kathryn M. Kauffman 博士花了三個月的時間,每天從麻州海岸水域採集樣本,並將樣本中發現的病毒,放在容易培養的 Vibrionaceae 細菌群體中 (是一種常見的海洋細菌家族)中培養 2 週。在測試的所有細菌中, Kauffman 博士隔離了 241 個以前未知的病毒,發現其中 18 個是沒有「尾巴」的。隨後,他們將新的病毒群釋放到 300 株海洋細菌上,並比較新病毒與尾狀病毒所造成的破壞程度。得出的結果相當令人震驚:雖然無尾病毒只占全部病毒總數的 10%,但它卻殺死了 40% 的細菌!

進一步分析顯示,無尾病毒的基因組有另一項特點:形成自己獨特的譜系,而且基因組由 10,000 個鹼基組成,比其他一般病毒的 40,000 到 50,000 個鹼基更短。該團隊把他們的發現稱為 Autolykiviridae,來源是希臘神話中著名的竊賊和騙子奧托呂科斯(Autolycus),以相當難捉摸而聞名。研究團隊認為這次發現的病毒和奧托呂科斯同樣棘手。不過目前可慶幸的是,Autolykiviridae 已經被發現了,而且這個發現如同幫助科學家們找到過去病毒進化未知部分的一塊缺失拼圖。

透過新研究方法,揭開棘手病毒的神秘面紗

實驗室中常利用氯仿破壞細胞膜,作為在噬菌體分離過程中限制細菌污染的一種方式;而Kauffman 博士等人使用密度梯度離心方法(Density Gradient Centrifugation),分離用於 DNA 序列分析的噬菌體時,將包含大多數噬菌體的較重部分分開後的低密度部分中,發現病毒,再利用蛋白酶提取 DNA,這是標準大規模病毒定序研究較少見的步驟。過去因某些病毒的生物學特徵在實驗室很難培養與分析,或一些標準病毒分離方法具有取樣偏差(如病毒顆粒含有脂質),又或者以病毒樣本感染細菌測試病毒活性,檢查樣本的時間太短,故一直無法發現他們的存在。Kauffman 博士表示,這次特殊的無尾病毒因行動緩慢,細菌被殺死的區域需要過好多天才會出現,所以在大部分研究中,這些病毒的出現都沒有被注意到。獲得這些新序列訊息後,研究人員進一步發現這類病毒不只存在於海洋中。

新病毒不只影響海洋,也與我們息息相關

細菌是海洋食物鏈底層組成的關鍵,而新種的病毒感染和殺死細菌的超強破壞力,對海洋的健康和功能也具重大影響。此外,研究聯合負責人 Libusha Kelly 博士說:「我們已經在(人類)腸道微生物中發現相關的病毒序列,但我們還不知道它們是如何影響腸道微生物群落或它們對健康有多重要。」這項研究使我們能夠觀察其他生態系統,如人類的腸道,以檢測過去未知的病毒,並了解它們如何影響細菌種群。雖然要了解這些病毒在海洋及人體等生態系統中的作用與影響,仍有許多研究要進行,但如同南加大(University of Southern California)海洋生物學家 Jed Fuhrman 所說:「這項研究替我們更深入了解病毒於海洋中的作用,開闢了新的途徑」。

文 / Miggy Chang

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參考文獻:
1.https://www.sciencealert.com/entirely-unknown-family-of-infectious-viruses-discovered-in-the-ocean-parasites-tail-less-autolykiviridae
2.https://www.nature.com/articles/nature25474
3.https://www.prnewswire.com/news-releases/previously-unknown-ocean-virus-family-may-also-populate-the-human-gut-300587675.html
4.https://www.nature.com/articles/d41586-018-00923-8
5.https://www.genomeweb.com/sequencing/new-double-stranded-dna-virus-family-identified
6.http://news.mit.edu/2018/new-type-virus-found-ocean-0124

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