據(jù)說它們來自外太空，甚至有人聲稱它們實(shí)際上是細(xì)菌，它們破壞了病毒的定義。巨型病毒，綽號“giruses”，含有大量的遺傳物質(zhì)，比其他病毒多100倍，有些比某些細(xì)菌還大。

直到21世紀(jì)初，它們才為科學(xué)界所知，但過去20年的發(fā)現(xiàn)表明，它們可能對地球上的生命產(chǎn)生重大影響。

生活在海洋中的巨型病毒感染了各種單細(xì)胞藻類，這些光合生物負(fù)責(zé)大約一半的地球氧氣生產(chǎn)和大約一半的全球碳固定。

病毒感染會導(dǎo)致藻華的迅速崩潰——藻類在海洋中積聚數(shù)萬公里——這反過來又會嚴(yán)重影響廣泛的海洋、大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)。然而，對于巨型病毒的天然宿主，即每種病毒感染的藻類種類，我們?nèi)匀恢跎佟?/p>

在一項(xiàng)發(fā)表在《自然微生物學(xué)》雜志上的研究中，魏茨曼科學(xué)研究所植物與環(huán)境科學(xué)系A(chǔ)ssaf Vardi教授實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用單細(xì)胞RNA測序分析了從挪威峽灣的一次藻華中收集的樣本。

這使他們能夠以前所未有的細(xì)節(jié)繪制出巨型病毒與單細(xì)胞海洋生物(包括藻類)之間的關(guān)系，每種病毒都會感染這些生物。

直到最近，分析海洋中病毒和藻類種群的最有效方法是對它們進(jìn)行批量檢查，也就是說，分析從海水樣本中分離出來的所有遺傳物質(zhì)，這些樣本中有大量的病毒和單細(xì)胞海洋生物。

瓦爾迪解釋說:“這些研究提高了我們對水中藻類和病毒分布的認(rèn)識，但仍然缺乏很多信息?！薄拔覀兡軌蛄私馓囟颖局心男┪锓N豐富，但無法識別活躍感染，因此我們測量病毒對藻類繁殖或崩潰的影響的能力有限。

“同樣，我們無法識別樣本中不太流行的種群，確定每種病毒的天然宿主，也無法了解病毒在細(xì)胞中是否活躍?！?/p>

為了克服這些限制并研究自然環(huán)境中存在的相互作用，研究人員前往挪威峽灣，在那里他們通過向水中添加營養(yǎng)物質(zhì)并模擬導(dǎo)致水華的條件來誘導(dǎo)藻類繁殖。

回到實(shí)驗(yàn)室，他們對樣本中單個(gè)細(xì)胞的RNA進(jìn)行了測序。這些RNA分子指示了在任何給定時(shí)間取樣的生物體中哪些基因是活躍的。常規(guī)的RNA測序是將樣本中所有生物體的所有RNA都拉到一起，與之相反，研究人員使用了單細(xì)胞RNA測序。

這種先進(jìn)的、高分辨率的方法使他們能夠標(biāo)記單個(gè)細(xì)胞，并識別出在特定細(xì)胞中唯一出現(xiàn)的RNA。

使用這種方法，研究人員能夠識別細(xì)胞中的活性基因，并通過將它們與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，確定樣本中的每個(gè)細(xì)胞屬于哪個(gè)物種。然而，他們并不滿足于僅僅繪制宿主;他們還想確定在自然環(huán)境中哪些病毒會感染每個(gè)細(xì)胞。

瓦爾迪教授實(shí)驗(yàn)室的博士生阿米爾·弗洛姆(Amir Fromm)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他解釋說:“我們意識到，通過仔細(xì)分析RNA，我們可以產(chǎn)生兩種數(shù)據(jù)，不僅可以確定藻類的種類，還可以確定藻類是否被巨型病毒感染，如果是的話，是哪種病毒。”

在此之前，沒有對感染藻類的巨型病毒進(jìn)行分類的數(shù)據(jù)庫，因此研究人員找到了弗吉尼亞理工大學(xué)病毒進(jìn)化專家弗蘭克·艾爾沃德教授，他和自己的團(tuán)隊(duì)以從細(xì)胞中提取的RNA為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)獨(dú)特的巨型病毒數(shù)據(jù)庫。

在被檢查的成千上萬個(gè)細(xì)胞中，許多屬于那次爆發(fā)的主要藻類——埃米利亞·赫胥黎藻類。在早期的研究中，Vardi和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了感染這種藻類的特定巨型病毒。這一次，他們把重點(diǎn)放在了樣本中少量存在的其他病毒-宿主配對上。

他們總共發(fā)現(xiàn)了972個(gè)受感染的細(xì)胞，其中71個(gè)不屬于水華中的主要藻類，其中包括一些以前未知的巨型病毒-宿主組合。

例如，他們發(fā)現(xiàn)亞胺病毒-07病毒感染Katablepharidaceae家族的藻類細(xì)胞——這種聯(lián)系以前沒有被描述過。當(dāng)他們檢查這些細(xì)胞中的病毒RNA時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它產(chǎn)生的蛋白質(zhì)對細(xì)胞的命運(yùn)有直接的影響，包括在感染后期能夠?qū)е录?xì)胞自殺(程序性細(xì)胞死亡)的蛋白質(zhì)。

研究人員甚至找到了確鑿的證據(jù):他們證明了在檢測樣本中病毒的出現(xiàn)與宿主藻類種群不久后的崩潰之間存在聯(lián)系。

由于研究人員成功地解決了從微量RNA樣品中表征受感染細(xì)胞的計(jì)算挑戰(zhàn)，他們相信他們的方法也可以用于識別世界其他地區(qū)的藻類與病毒和其他病原體的相互作用，包括極端氣候環(huán)境，如極地和高山湖泊。

“由于與氣候變化有關(guān)的過程，古老的病原體正在從兩極融化的冰蓋中釋放出來。這種新方法將使我們能夠更容易地識別這些病原體，并幫助人類為它們可能造成的環(huán)境威脅做好準(zhǔn)備，”Vardi說。