科學家們發現了潛伏在海水中的 200 多種新的巨型病毒，這些病毒不僅有助於塑造海洋生態系統，還有助於縱藻類的光合作用。這些曾經在科學界幾乎看不到的大型病毒現在正在使用強大的超級計算和一種名為 BEREN 的新工具被曝光。通過研究這些病毒，研究人員希望預測有害的藻華，甚至從這些病毒基因組中發現的新型酶中探索生物技術應用。
單細胞藻類 Florenciella 的巨型病毒感染。可以看到這些巨型病毒從 Florenciella 細胞中迸發出來，它們的六邊形衣殼包裹著它們的遺傳物質。圖片來源：Grieg Steward 博士夏威夷大學馬諾阿分校
巨型病毒在稱為原生生物的單細胞海洋生物的生存中發揮作用。這些包括藻類、變形蟲和鞭毛蟲，它們構成了海洋食物網的基礎。由於這些原生生物構成了食物鏈的重要組成部分，這些大型 DNA 病毒通常會導致各種公共衛生危害，包括有害的藻華。
羅森斯蒂爾海洋、大氣和地球科學學院科學家的一項新研究可能有助於解開我們水道和海洋中存在的多種類型的病毒。這些知識可以幫助地方領導人更好地準備何時有害藻華可能會影響他們的海岸線，或者當地海灣、河流或湖泊中存在任何其他病毒。
研究人員使用高性能計算方法，在公開可用的海洋宏基因組數據集中鑒定了 230 種新型巨型病毒，並表徵了它們的功能。
發表在《自然 npj 病毒》雜誌上，他們的發現包括發現了以前文獻中未知的新巨型病毒基因組。在這些基因組中，表徵了 530 種新的功能性蛋白質，其中包括 9 種參與光合作用的蛋白質。這表明這些病毒可能能夠在感染期間縱它們的宿主和光合作用過程。
「通過更好地了解巨型病毒在海洋中的多樣性和作用，以及它們如何與藻類和其他海洋微生物相互作用，我們可以預測並可能管理有害的藻華，這在佛羅里達州以及世界各地都是人類健康的危害，」該研究的合著者、海洋生物學和生態學系助理教授穆罕默德·莫尼魯扎曼 （Mohammad Moniruzzaman） 說。「巨型病毒通常是許多浮游植物死亡的主要原因，浮游植物是支持海洋生態系統和食物來源的食物網的基礎。在巨型病毒中發現的新功能可能具有生物技術潛力，因為其中一些功能可能代表新型酶。
直到最近，由於生物信息學管道的限制，科學方法基本上無法檢測到巨型病毒。研究人員創造了一種名為 BEREN（來自 Environmental metageNomes 的 E ukaryotic virus R ecovery 的 Bioinformatic tool for Eukaryotic virus Recovery 的創新工具），旨在識別廣泛的公共 DNA 測序數據集中的巨型病毒基因組。
「我們發現巨型病毒具有參與碳代謝和光合作用等細胞功能的基因——傳統上只存在於細胞生物中，」該研究的主要作者、羅森斯蒂爾學院海洋生物學和生態學系的博士生本傑明·明奇說。「這表明巨型病毒在感染期間縱宿主的新陳代謝和影響海洋生物地球化學方面發揮著巨大的作用。」
作者使用邁阿密大學弗羅斯特數據科學與計算研究所 （IDSC） 的 Pegasus 超級計算機來處理和組裝大型宏基因組——每個文庫通常超過 1 GB——從而能夠重建數百個微生物群落文庫。
「這項研究使我們能夠創建一個框架來改進現有的新型病毒檢測工具，這可能有助於我們監測水道中的污染和病原體。」「Minch 補充道。
研究團隊從九個大型全球海洋採樣項目中下載了 DNA 測序數據，這些項目跨越了兩極。使用 BEREN，他們從數據中恢復了巨大的病毒基因組。然後使用公開可用的基因功能資料庫對基因組進行注釋，以表徵這些病毒編碼的功能。將這些基因組與所有目前可用的巨型病毒代表進行比較，以確定新功能。
用於促進這項研究的 BEREN 計劃通過提供易於使用的一站式工具來識別和分類測序數據集中的巨型病毒，填補了研究領域的空白。BEREN 可供任何人使用，可在以下網址下載：https://gitlab.com/benminch1/BEREN
這項題為「全球海洋巨型病毒基因組和功能多樣性的擴展」的研究於 2025 年 4 月 21 日發表在《自然 npj 病毒》雜誌上。作者是來自邁阿密大學 Rosenstiel 海洋、大氣和地球科學學院的 Benjamin Minch 和 Mohammad Moniruzzaman。
