A novel virus lineage is abundant in metaviromes from Dehalococcoides-containing mixed cultures

지하수와 강 퇴적물의 어둡고 산소가 없는 심층부에서, 특화된 박테리아 집단이 인간이 만든 오염 물질을 정화하기 위해 끊임없이 일하고 있습니다. 데할로코코이데스(Dehalococcoides)라고 알려진 이 미생물 일꾼들은 땅속으로 스며든 독성 염소화 화학 물질을 섭취하여, 이를 분해하고 무해하게 만듭니다. 이들은 오염된 지역을 복원하는 데 필수적이지만, 매우 취약하며 단독으로 연구하기는 어렵습니다. 모든 생명체와 마찬가지로, 이 박테리아들은 단순히 정적인 세포가 아닙니다. 이들은 자신들 사이를 이동하는 숨겨진 유전 물질과 끊임없이 상호작용하고 있습니다. 이 이동성 유전 물질은 박테리아가 서로 교환하거나, 빌리거나, 혹은 몸에 지니고 다닐 수 있는 지시서의 도서관과 같으며, 때로는 박테리아의 기능을 변화시키거나 가혹한 환경에서 살아남도록 돕기도 합니다. 이 박테리아들의 내부와 주변에 무엇이 살고 있는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 그들이 환경을 정화하기 위해 사용하는 도구들이 종종 이 작고 변화무쌍한 유전적 패키지 안에 숨겨져 있기 때문입니다.

과학자들은 데할로코이데스가 매우 작은 게놈을 가지고 있음에도 불구하고 놀라울 정도로 많은 양의 이러한 이동성 유전 물질을 보유하고 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 이제 한 새로운 연구가 이 요소들의 특정하고 풍부한 가계에 초점을 맞추었으며, 연구진은 이 요소들을 IME1이라고 명명했습니다. 데할로코코이데스가 번성하는 KB-1이라는 혼합 박테리아 배양 샘플을 조사함으로써, 연구팀은 이 요소들이 단순히 희귀한 구경거리가 아니라 샘플의 바이러스 분획에서 발견되는 지배적인 형태의 유전 물질이라는 사실을 발견했습니다. 연구진은 이 21개의 요소를 분석했는데, 그중 20개는 데할로코코이데스에서, 1개는 데할로지모나스 알케니기겐스(Dehalogenimonas alkenigignens)라는 관련 박테리아에서 유래했습니다. 그들은 각 요소가 20,930에서 28,058 염기쌍에 이르는 상당한 크기의 유전 코드 덩어리라는 것을 발견했습니다. 이 요소들은 두 가지 형태로 존재합니다. 때로는 박테리아 자신의 DNA에 직접 꿰매어져 있고, 다른 때에는 주 게놈 외부에서 자유롭게 떠다니는 원형 루프 형태로 존재합니다.

연구팀이 이 요소들이 만들어내는 단백질을 자세히 살펴보았을 때, 매우 일관된 구조를 발견했습니다. 21개의 요소 모두가 동일한 14개의 관련 단백질 그룹을 포함하고 있었으며, 이는 공유된 고대의 청사진을 시사합니다. 그러나 이 요소들은 과학자들이 흔히 접하는 전형적인 바이러스와는 모습이 다릅니다. 대부분의 박테리아 바이러스는 머리와 꼬리가 있는 작은 올챙이 모양을 하고 있지만, IME1이 인코딩하는 단백질은 이러한 꼬리 달린 바이러스를 정의하는 특정 표지들이 결여되어 있습니다. 대신, 유전 코드는 전혀 다른 형태를 가리키고 있습니다. 연구진은 이 요소들의 핵심 단백질 중 하나가 길고 가늘며 유연한 실 모양의 박테리아 바이러스에서 발견되는 특정 에너지 생성 기계와 매우 유사하다는 것을 발견했습니다. 더욱이, 이 요소들은 세포막을 뚫고 들어가는 역할을 하는 여러 작은 단백질들을 인코딩하는데, 이는 실 모양의 바이러스와 또 다른 영역인 고균(archaea)을 감염시키는 바이러스에서도 나타나는 특징입니다.

이 요소들이 실제로 무엇인지에 대한 증거는 유전 코드가 아닌 물리적 세계를 관찰함으로써 얻어졌습니다. 연구진이 KB-1 배양액 샘플을 채취하여 바이러스 입자를 여과했을 때, 이 IME1 요소들이 존재하는 가장 풍부한 유전 물질임을 확인했습니다. 전자 현미경 아래에서 바이러스 분획은 길고 실 같은 입자들의 바다를 보여주었습니다. 이러한 시각적 확인은 유전적 단서와 결합되어, 연구진이 IME1이 완전히 새로운 계통의 바이러스를 나타낸다고 제안하게 된 근거가 되었습니다. 그들은 이들을 실 모양을 띠는 이중 가닥의 출아(budding) 바이러스로 묘사합니다. 이 연구는 이 요소들이 데할로코코이데스 박테리아와 클로로펙스오타(Chlorofexota) 문에 속하는 몇몇 관련 종 내에서 널리 퍼져 있음을 확인해주지만, 이들은 이 특정 박테리아 집단에 국한되어 있으며 아직 다른 곳에서는 발견되지 않았습니다. 이 발견은 바이러스 세계에 대한 우리의 이해를 확장하며, 가장 특화된 환경에서조차 자연이 익숙한 모델과는 다르게 작동하는 독특하고 풍부한 형태의 바이러스 생명체를 진화시켜 왔음을 보여줍니다.