科学家们发现了潜伏在海水中的 200 多种新的巨型病毒，这些病毒不仅有助于塑造海洋生态系统，还有助于纵藻类的光合作用。这些曾经在科学界几乎看不到的大型病毒现在正在使用强大的超级计算和一种名为 BEREN 的新工具被曝光。通过研究这些病毒，研究人员希望预测有害的藻华，甚至从这些病毒基因组中发现的新型酶中探索生物技术应用。
单细胞藻类 Florenciella 的巨型病毒感染。可以看到这些巨型病毒从 Florenciella 细胞中迸发出来，它们的六边形衣壳包裹着它们的遗传物质。图片来源：Grieg Steward 博士夏威夷大学马诺阿分校
巨型病毒在称为原生生物的单细胞海洋生物的生存中发挥作用。这些包括藻类、变形虫和鞭毛虫，它们构成了海洋食物网的基础。由于这些原生生物构成了食物链的重要组成部分，这些大型 DNA 病毒通常会导致各种公共卫生危害，包括有害的藻华。
罗森斯蒂尔海洋、大气和地球科学学院科学家的一项新研究可能有助于解开我们水道和海洋中存在的多种类型的病毒。这些知识可以帮助地方领导人更好地准备何时有害藻华可能会影响他们的海岸线，或者当地海湾、河流或湖泊中存在任何其他病毒。
研究人员使用高性能计算方法，在公开可用的海洋宏基因组数据集中鉴定了 230 种新型巨型病毒，并表征了它们的功能。
发表在《自然 npj 病毒》杂志上，他们的发现包括发现了以前文献中未知的新巨型病毒基因组。在这些基因组中，表征了 530 种新的功能性蛋白质，其中包括 9 种参与光合作用的蛋白质。这表明这些病毒可能能够在感染期间纵它们的宿主和光合作用过程。
“通过更好地了解巨型病毒在海洋中的多样性和作用，以及它们如何与藻类和其他海洋微生物相互作用，我们可以预测并可能管理有害的藻华，这在佛罗里达州以及世界各地都是人类健康的危害，”该研究的合著者、海洋生物学和生态学系助理教授穆罕默德·莫尼鲁扎曼 （Mohammad Moniruzzaman） 说。“巨型病毒通常是许多浮游植物死亡的主要原因，浮游植物是支持海洋生态系统和食物来源的食物网的基础。在巨型病毒中发现的新功能可能具有生物技术潜力，因为其中一些功能可能代表新型酶。
直到最近，由于生物信息学管道的限制，科学方法基本上无法检测到巨型病毒。研究人员创造了一种名为 BEREN（来自 Environmental metageNomes 的 E ukaryotic virus R ecovery 的 Bioinformatic tool for Eukaryotic virus Recovery 的创新工具），旨在识别广泛的公共 DNA 测序数据集中的巨型病毒基因组。
“我们发现巨型病毒具有参与碳代谢和光合作用等细胞功能的基因——传统上只存在于细胞生物中，”该研究的主要作者、罗森斯蒂尔学院海洋生物学和生态学系的博士生本杰明·明奇说。“这表明巨型病毒在感染期间纵宿主的新陈代谢和影响海洋生物地球化学方面发挥着巨大的作用。”
作者使用迈阿密大学弗罗斯特数据科学与计算研究所 （IDSC） 的 Pegasus 超级计算机来处理和组装大型宏基因组——每个文库通常超过 1 GB——从而能够重建数百个微生物群落文库。
“这项研究使我们能够创建一个框架来改进现有的新型病毒检测工具，这可能有助于我们监测水道中的污染和病原体。”“Minch 补充道。
研究团队从九个大型全球海洋采样项目中下载了 DNA 测序数据，这些项目跨越了两极。使用 BEREN，他们从数据中恢复了巨大的病毒基因组。然后使用公开可用的基因功能数据库对基因组进行注释，以表征这些病毒编码的功能。将这些基因组与所有目前可用的巨型病毒代表进行比较，以确定新功能。
用于促进这项研究的 BEREN 计划通过提供易于使用的一站式工具来识别和分类测序数据集中的巨型病毒，填补了研究领域的空白。BEREN 可供任何人使用，可在以下网址下载：https://gitlab.com/benminch1/BEREN
这项题为“全球海洋巨型病毒基因组和功能多样性的扩展”的研究于 2025 年 4 月 21 日发表在《自然 npj 病毒》杂志上。作者是来自迈阿密大学 Rosenstiel 海洋、大气和地球科学学院的 Benjamin Minch 和 Mohammad Moniruzzaman。
