Плотная популяция микробов и фагов в морских водах предлагает природе плодородное поле для обмена генетической информацией и экспериментов. Цианобактерии, одна из самых разнообразных бактериальных групп, успешно размножаются как на суше, так и в воде. Они уникальны, так как это единственные бактерии, способные к фотосинтезу. Подобно высшим растениям они продуцируют энергию и органические строительные блоки, используя свет и двуокись углерода, высвобождая при этом кислород. Имея диаметр всего 0,5 микрометра, бактерия Prochlorococcus является одним из самых мелких организмов, обладающих способностью к фотосинтезу. Эта бактерия ускользала от внимания исследователей до восьмидесятых годов прошлого века, когда океанографические научные суда были оснащены флоуцитометрами, которые и позволили обнаружить прохлорококк. Прохлорококк – это самый многочисленный фотосинтезирующий организм мирового океана и, вероятно, вообще нашей планеты. Прохлорококк и его ближайший сородич синехококк являются доминирующими фотосинтезирующими видами пикопланктона в поверхностных слоях океана, где достаточно света для поддержания процесса фотосинтеза. Вместе эти два вида осуществляют 25 % всего фотосинтеза на Земле (Partensky, Hess, Vaulot, 1999; Field et al., 1998). Фотосинтезирующие механизмы этих бактерий подобны механизму фотосинтеза растений, растущих в наших садах. В самом деле, вполне вероятно, что цианобактерии произошли от предшественников хлоропластов, органелл, находящихся в эукариотических клетках высших растений.

Фотосинтезирующий аппарат хлоропласта состоит из двух фотосистем: фотосистемы I и фотосистемы II (ФСI и ФСII), которые представляют собой улавливающие свет белковые комплексы и светочувствительные пигменты, соединенные между собой цепями переноса электронов. Энергия, высвобождаемая при движении электрона между этими двумя фотосистемами, используется для перемещения через мембраны протонов (ионов водорода). Эта протонная помпа продуцирует АТФ, источник энергии клетки, и дает энергию для протекания цикла Кальвина, в результате которого синтезируется глицеральдегид-3-фосфат, главный строительный блок для всех структур клетки. Главные действующие лица фотосинтеза – светочувствительные пигменты ФСI и ФСII, причем эти пигменты проявляют различную чувствительность к свету в зависимости от его интенсивности и длины волны. Разные штаммы прохлорококка имеют разные фотосистемы, которые адаптированы к функционированию на разных глубинах моря (Moore, Rocap, Chisholm, 1998). Водоросли, обитающие на больших глубинах, используют длины волн света, который способен проникать наиболее глубоко, а водоросли, обитающие в поверхностных слоях, используют длину волны, которая не способна проникать на большую глубину. Химические структуры фотосинтезирующих систем могут повреждаться случайно попадающим на них светом. Все прохлорококки, особенно те, которые находятся в поверхностных слоях воды, подвержены опасности экспозиции к слишком сильному свету, которая приводит к подавлению фотосинтеза. Активный центр ФСII состоит из белкового димера – двух белковых молекул, D1 и D2, которые содержат светочувствительный пигмент, необходимый для протекания фотохимических реакций. Белок D1 особенно чувствителен к световым повреждениям, что требует постоянной замены белка, для того чтобы клетка оставалась здоровой и продолжала осуществлять фотосинтез. Если клетка оказывается неспособной восполнять D1 в ФСII, то происходит подавление фотосинтеза и снижается продукция энергии клеткой.

Цианобактерии являются хозяевами для множества фагов, преимущественно для цианофагов. Существует множество типов, которые инфицируют как прохлорококк, так и синехококк. Для всех вирусов самое главное свойство инфицируемой клетки – это метаболическая жизнеспособность, продуцирование достаточного количества энергии и материалов для поддержания репликации вируса. Фаг S-PM2, член семейства Myoviridae, который инфицирует синехококк, в высшей степени адаптирован к инфицированию именно этого фотосинтезирующего хозяина. Ученые, исследовавшие инфекционный цикл S-PM2, обнаружили, что адсорбция на поверхности синехококка в значительной степени зависит от освещенности. Оказалось, что так же, как сами цианобактерии наиболее активно растут и делятся в дневное время суток, фаги начинают свои атаки на рассвете, а вирусные частицы освобождаются из погибших микробов в сумерки (Clokie, Mann, 2006). Таким образом, вирус синхронизирует максимум инфицирования популяции клеток-хозяев с тем временем дня, когда хозяин метаболически наиболее активен и может выделить достаточно энергии для репликации хищника. Когда ученые секвенировали геном S-PM2, стало ясно, что это не простой литический фаг, а фаг сложный, содержащий в двухцепочечной спирали ДНК 193 тысячи пар оснований. Более того, ученые были удивлены, открыв, что геном содержал фотосинтезирующие гены, напоминавшие гены, кодирующие светочувствительные белки бактерий-хозяев (Mann et al., 2003). Последовательности, кодирующие D1- и D2-компоненты ФСII, были обнаружены в отрезке из четырех тысяч пар оснований в геноме фага. Эти гены оказались в высшей степени гомологичными, соответствующими генам синехококка, что подтверждает их бактериальное происхождение. Это пример горизонтального переноса генетической информации. Детальный анализ позволяет предполагать, что фаг приобрел эти два гена в ходе независимых переносов, что подтверждает преобладание такого механизма в эволюции фагов и их хозяев (Lindell et al., 2004; Sullivan et al., 2006). Весьма вероятно, что фаг получает выгоду от включения этих фотосинтетических генов бактерии-хозяина в свой геном. Примечательно, что были приобретены также и гены, кодирующие большую часть фоточувствительных белков. На поздних стадиях инфицирования функции поддержания клеточного метаболизма клетки прекращаются. Все ресурсы клетки направляются на поддержание репликации фага и синтез вирусных белков. Следовательно, для вируса критически важна способность поддержать синтез необходимого для фотосинтеза белка ФСII. Эти гены фага стимулируют производство энергии фотосинтеза инфицированной клеткой как можно дольше, что дает возможность вирусу завершить инфекционный цикл до гибели клетки.

В попытке определить, не отражают ли эти наблюдения редкое явление, характерное только для S-PM2 и индивидуального штамма синехококка, ученые исследовали вирусы порядка Myoviridae и Podoviridae, которые инфицируют близкородственный вид Prochlorococcus. В самом деле, все три фага прохлорококка, выбранные для секвенирования, имели общие гены, кодирующие бактериальные белки D1 и D2 комплекса ФСII, а также ген hli, кодирующий индуцируемый коротковолновым светом белок (Sullivan et al., 2006). В определенных штаммах ученые обнаружили дополнительные бактериальные фотосинтезирующие гены. В то время как все эти гены, несомненно, имели цианобактериальное происхождение, что подтверждается сходством их последовательностей, представляется, что эти гены происходят из разных, хотя и близкородственных видов цианобактерий. Примечательно, что ген hli во множестве копий присутствует в бактериальной хромосоме. Ученые полагают, что горизонтальный перенос гена в геном фага, а затем обратный перенос его из ДНК фага могли сыграть решающую роль в избыточности гена в локусе hli бактериальной хромосомы. Возникает картина переноса бактериальных фотосинтезирующих генов от фага в бактериальный геном и обратно. Очевидна выгода от способности фага кодировать эти дополнительные белки. С другой стороны, можно предположить, что такой обмен генами наглядно демонстрирует процесс генетической диверсификации бактерий, что создает преимущества уже для клетки-хозяина. Этот процесс обеспечивает резервуар генетического разнообразия, приобретенного микробной клеткой, что облегчает быструю адаптивную эволюцию. Такая вариабельность может оказаться выгодной в меняющейся окружающей среде, где постоянно возникают новые виды давления отбора. Приспособление к новым условиям является залогом успешности генома. Конечно, этот процесс не ограничивается генами, отвечающими за фотосинтез, и его можно представить себе и в приложении к генам, которые обеспечивают и другие метаболические функции и способны влиять на то, какие экологические ниши может занимать микроб-реципиент. Можно рассматривать фаги определенного хозяина как расширенный пул генов, потенциальный источник генов для инновационных генетических экспериментов. Представьте себе какой-либо ген, позаимствованный в ходе трансдукции и вступивший в пул генов фага, где этот ген будет подвергаться иному давлению отбора, нежели в исходной клетке-хозяине. Ген претерпит воздействие независимого естественного отбора, когда часть быстро реплицирующегося метагенома бактериофагов будет позднее приобретена тем же или другим микробом-хозяином. Ген сохранится, если докажет свое конкурентное преимущество.

О метагеноме фагов надо думать как о корпоративной программе развития, разработанной «отделом кадров» природы для воспитания генетических талантов. В корпоративной Америке талантливые работники в разное время работают в разных окружениях, в разных географических условиях и выполняют различные профессиональные обязанности, набираются разнообразного опыта и навыков, необходимых для успеха. Такие программы полезны для работника (гена) и приносят пользу компании (организму). Ценность разнообразия в команде признается всеми, и ее активно добиваются американские компании. Разнообразие стимулирует творчество и эффективное решение сложных проблем. Представляется, что такие же принципы работают на биологическом уровне, а носителями этих принципов являются вирусы. Конечно, в моем примере из корпоративного бизнеса сотрудников назначают на должности, последив за их работой, а коллективы (надо надеяться!) тщательно комплектуются отделами кадров и руководством. В природном мире такой предварительной селекции не существует. Мы должны полагать, что отбираются все гены, но остаются только те, которые улучшают функциональность принимающего генома. Это в высшей степени неэффективный процесс, но он может успешно работать в течение того времени, когда число проб адекватно низкой вероятности благоприятного исхода.

Умеренные фаги делают гены расширенного пула доступными для клетки-хозяина благодаря трансдукции фагов. Это особенно важно в условиях изменчивой и потенциально опасной окружающей среды. Зная об этом, ученые стараются наблюдать морские и океанические фаги непосредственно над гидротермальными источниками океанического дна, сравнивая эти фаги с вирусами, обитающими в поверхностных слоях морских вод (Williamson, Cary et al., 2008). Ученые обнаружили свободные частицы фагов над отверстиями горячих вод, там, где смешивается горячая и холодная вода. Исследователи пришли к выводу, что в меняющихся условиях профаги индуцируются с большей частотой, чем в окружающей воде со стабильной температурой. Более того, четверть ДНК-последовательностей в этих частицах принадлежала «темной материи» – эти последовательности начисто отсутствуют в базах данных. Виды бактерий и фагов в этих суровых глубоководных условиях должны быть, судя по всему, хранилищем новой адаптивной генетической информации, которая приводится в действие изменчивыми условиями окружающей среды.