کشف عجیب: ۲۳۰ ویروس غول‌پیکر در اقیانوس که فتوسنتز گیاهان دریایی را دستکاری می‌کنند

دانشمندان بیش از ۲۰۰ ویروس غول‌پیکر جدید را در اقیانوس شناسایی کرده‌اند که فتوسنتز جلبک‌ها را دست‌کاری می‌کنند.

دانشمندان بیش از ۲۰۰ ویروس غول‌پیکر جدید را در آب‌های اقیانوس شناسایی کرده‌اند که نه‌تنها در شکل‌دادن به اکوسیستم‌های دریایی نقش دارند، بلکه فرایند فتوسنتز در جلبک‌ها را نیز دست‌کاری می‌کنند.

این ویروس‌های بزرگ که پیش‌تر تقریباً از دید علم پنهان مانده بودند، اکنون با بهره‌گیری از ابررایانه‌های قدرتمند و ابزار جدیدی به نام BEREN کشف شده‌اند.

ویروس‌های غول‌پیکر در بقای جانداران تک‌سلولی دریایی به نام «آغازیان» نقش دارند. این جانداران شامل جلبک‌ها، آمیب‌ها و تاژک‌داران هستند که در پایه زنجیره‌های غذایی اقیانوس قرار دارند.

ازآنجا که آغازیان بخش مهمی از این زنجیره غذایی را تشکیل می‌دهند، ویروس‌های DNA ‌دارِ بزرگ اغلب مسئول بروز تهدیدهای گوناگون برای سلامت عمومی، از جمله شکوفایی‌های جلبکی زیان‌بار، به شمار می‌آیند.

مطالعه‌ای جدید از دانشمندان مدرسه علوم دریایی، جوی و زمین‌شناسی «روزن‌استیل» ممکن است به روشن‌شدن تنوع گسترده ویروس‌های موجود در آبراه‌ها و اقیانوس‌های ما کمک کند.

این دانش می‌تواند به مسئولان محلی یاری رساند تا آمادگی بهتری در برابر شکوفایی جلبکی زیان‌بار که ممکن است سواحل آن‌ها را تحت‌تأثیر قرار دهد داشته باشند، یا در صورت وجود ویروس‌های دیگر در خلیج‌ها، رودخانه‌ها یا دریاچه‌های محلی، واکنش مناسب‌تری نشان دهند.

(شکوفایی جلبکی به رشد سریع و انفجاری جمعیت جلبک‌ها (معمولاً فیتوپلانگتون‌ها) در آب‌های سطحی دریاها، دریاچه‌ها، رودخانه‌ها یا آبگیرها گفته می‌شود.)

پژوهشگران با بهره‌گیری از روش‌های رایانش با توان بالا، ۲۳۰ ویروس غول‌پیکر جدید را در مجموعه داده‌های متاژنومی دریاییِ در دسترس عموم شناسایی کرده و عملکردهای آن‌ها را مورد بررسی قرار دادند.

یافته‌های این پژوهش که در نشریه Nature npj Viruses منتشر شده، شامل کشف ژنوم‌های جدیدی از ویروس‌های غول‌پیکر است که پیش‌تر در منابع علمی ناشناخته بودند.

پژوهشگران با مطالعه این ویروس‌ها امیدوارند بتوانند شکوفایی‌ جلبکی زیان‌بار را پیش‌بینی کرده و همچنین کاربردهای زیست‌فناورانه جدیدی را از آنزیم‌های نوظهور موجود در ژنوم این ویروس‌ها پیدا کنند.

در درون این ژنوم‌ها، ۵۳۰ پروتئین عملکردی جدید شناسایی شده که ۹ مورد از آن‌ها در فرایند فتوسنتز نقش دارند. این موضوع نشان می‌دهد که این ویروس‌ها احتمالاً قادرند میزبان خود و فرایند فتوسنتز را در هنگام عفونت تحت‌تأثیر و دست‌کاری قرار دهند.

«محمد منیرالزمان»، یکی از نویسندگان این پژوهش و استادیار گروه زیست‌شناسی و بوم‌شناسی دریایی، گفت:«با درک بهتر تنوع و نقش ویروس‌های غول‌پیکر در اقیانوس و نحوه تعامل آن‌ها با جلبک‌ها و سایر میکروب‌های دریایی، می‌توانیم شکوفایی جلبکی زیان‌بار را که در فلوریدا و سراسر جهان تهدیدی برای سلامت انسان محسوب می‌شوند، پیش‌بینی و حتی مدیریت کنیم.»

او افزود:

«ویروس‌های غول‌پیکر اغلب عامل اصلی مرگ بسیاری از فیتوپلانگتون‌ها هستند؛ جاندارانی که پایه زنجیره غذایی را تشکیل می‌دهند و از اکوسیستم‌های دریایی و منابع غذایی پشتیبانی می‌کنند. عملکردهای نوینی که در این ویروس‌ها شناسایی شده‌اند، می‌توانند پتانسیل زیست‌فناورانه داشته باشند، چراکه برخی از این عملکردها ممکن است نشانگر آنزیم‌های کاملاً جدیدی باشند.»

تا همین اواخر، ویروس‌های غول‌پیکر به دلیل محدودیت‌های موجود در سامانه‌های بیوانفورماتیکی، تا حد زیادی از دید روش‌های علمی پنهان مانده بودند.

پژوهشگران ابزاری نوآورانه به نام BEREN (ابزار بیوانفورماتیکی برای بازیابی ویروس‌های یوکاریوتی از متاژنوم‌های محیطی) طراحی کردند که هدف آن شناسایی ژنوم ویروس‌های غول‌پیکر در میان دیتاست گسترده توالی‌یابی DNA عمومی است.

«بنجامین مینچ»، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشجوی دکترای گروه زیست‌شناسی و بوم‌شناسی دریایی در مدرسه «روزن‌استیل»، گفت:

«ما کشف کردیم که ویروس‌های غول‌پیکر دارای ژن‌هایی هستند که در عملکردهای سلولی مانند متابولیسم کربن و فتوسنتز نقش دارند - عملکردهایی که به طور سنتی تنها در جانداران سلولی یافت می‌شوند.»

او ادامه داد:

«این موضوع نشان می‌دهد که ویروس‌های غول‌پیکر نقش بسیار پررنگی در دست‌کاری متابولیسم میزبان خود در طول عفونت ایفا می‌کنند و بر زیست‌زمین‌شیمی دریایی تأثیرگذارند.»

نویسندگان این پژوهش برای پردازش و سرهم کردن متاژنوم‌های حجیم از ابررایانه «پگاسوس» در دانشگاه «میامی» استفاده کردند. این توان محاسباتی، امکان بازسازی صدها کتابخانه از جوامع میکروبی را فراهم آورد.

«مینچ» افزود:

«این مطالعه به ما امکان داد چارچوبی ایجاد کنیم که ابزارهای موجود برای شناسایی ویروس‌های نوظهور را بهبود بخشد؛ امری که می‌تواند توانایی ما را در پایش آلودگی‌ها و عوامل بیماری‌زا در آبراه‌ها تقویت کند.»

تیم پژوهشی داده‌های توالی‌یابی DNA را از پروژه بزرگ نمونه‌برداری جهانی اقیانوس‌ها که از قطب شمال تا قطب جنوب را در بر می‌گرفت، دریافت کردند.

با استفاده از ابزار BEREN، دانشمندان ژنوم‌های ویروس‌های غول‌پیکر را از این داده‌ها استخراج کردند. سپس این ژنوم‌ها با بهره‌گیری از پایگاه‌های داده عمومی عملکرد ژن‌ها، توضیح عملکرد (Annotation) گرفتند تا نقش‌های کدگذاری شده توسط این ویروس‌ها شناسایی شود. همچنین این ژنوم‌ها با تمام نمایندگان ویروس‌های غول‌پیکر موجود در داده‌ها مقایسه شدند تا عملکردهای نوین کشف شوند.

برنامه BEREN که در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت، خلأ موجود در حوزه تحقیقات را با ارائه ابزاری آسان، کاربردی و جامع برای شناسایی و طبقه‌بندی ویروس‌های غول‌پیکر در داده‌های توالی‌یابی پر کرده است.