کشف باکتریوفاز در مدفوع انسان مومیایی

رقابت هزاران ساله باکتری ها و ویروس ها

DNA به خوبی حفظ شده از چند صد گونه باکتریوفاژ مربوط به بیش از هزار سال پیش – ویروس هایی که باکتری ها را آلوده می کنند – در نمونه هایی از مدفوع انسان و در روده های یک مومیایی باستانی یافت شده است. معلوم می شود که ژنوم یکی از گونه ها تقریباً مشابه ژنوم ویروس های مدرن است. چرا تکامل این گونه برای مدت طولانی متوقف شده است؟

نتایج تحقیقات انجام شده توسط یک تیم بین المللی به رهبری دانشمندان لهستانی که در Nature Communications منتشر شده است، درک “مسابقه تسلیحاتی” بین ویروس ها و میزبان های باکتریایی آنها را تغییر می دهد.

پیوتر روزوالاک، نویسنده اول این مطالعه از دانشگاه آدام میکیویچ در پوزنان، به PAP می گوید: «به نظر می رسد آنچه ما پیدا کرده ایم با دانش قبلی ما در مورد باکتریوفاژها در تضاد است. این تحقیق به عنوان بخشی از پایان نامه کارشناسی ارشد وی انجام شد.

W liczących ۱۳۰۰ lat ludzkich odchodach z jaskini Zapa w Meksyku znaleziono wirusa o genomie zbliżonym do wirusa współczesnego. Źródło: پیوتر روزوالاک
ویروسی با ژنومی شبیه به یک ویروس مدرن در مدفوع ۱۳۰۰ ساله انسان از غار زاپا در مکزیک یافت شد. اعتبار: پیوتر روزوالک
برای تولید مثل، ویروس ها باید وارد سلول میزبان شوند و آن را وادار به کپی برداری از مواد ژنتیکی خود کنند. ویروس هایی وجود دارند که به سلول های گیاهی، انسانی و حیوانی حمله می کنند. عفونت های ویروسی نیز سلول های باکتریایی را تهدید می کند. این گونه ویروس های مخصوص باکتری، باکتریوفاژها (یا به اختصار فاژها) هستند.

هم باکتری ها و هم باکتریوفاژها در دستگاه گوارش انسان زندگی می کنند. برخی برای سلامت انسان مفید یا خنثی هستند، برخی دیگر لزوماً اینطور نیستند. DNA آنها را می توان در نمونه های مدفوع یا مواد جمع آوری شده از روده ها یافت.

متخصص بیوانفورماتیک و یکی از نویسندگان مقاله، دکتر Andrzej Zieleziński از دانشگاه Adam Mickiewicz، می گوید که به لطف دستاوردهای متاژنومیکس، امکان توالی یابی و خواندن قطعات DNA یافت شده در نمونه مواد بیولوژیکی گرفته شده از هر محیطی (مانند خاک یا سیستم گوارشی انسان) وجود دارد. این «تکه‌های پازل» را می‌توان در قطعات بزرگ‌تر، از جمله ژنوم‌های کامل، جمع کرد و با ژنوم‌های شناخته‌شده موجودات مختلف مقایسه کرد.

این امکان تعیین توالی میلیون‌ها قطعه از رشته‌های DNA موجود در نمونه‌ای از مواد را فراهم می‌کند، حتی اگر نمونه هزاران یا میلیون‌ها سال قدمت داشته باشد اما کاملاً حفظ شود.

بازیافت پالئوفایس
به این ترتیب، تیم‌هایی از سراسر جهان مدفوع انسان مربوط به بیش از ۱۰۰۰ سال پیش را که در غارهای بیابانی در مکزیک و ایالات متحده (آریزونا و یوتا) نگهداری می‌شد، بررسی کردند. نمونه‌هایی نیز از روده‌های یک مومیایی انسانی ۵۰۰۰ ساله که در کوه‌های آلپ یا در یک معدن نمک که قدمت آن به عصر برنز می‌رسد، گرفته شد.

جالب اینجاست که داده های این مطالعات در دسترس عموم بود. برای دستیابی به داده های مربوط به DNA فسیلی موجود در پالئوفاسیس، نیازی به انجام جستجوهای گران قیمت، تحقیقات باستان شناسی و توالی یابی ژنوم وجود نداشت. کافی بود پایگاه‌های اطلاعاتی در دسترس عموم را تجزیه و تحلیل کنیم و به دنبال اطلاعاتی متفاوت از آنچه نویسندگان آنها در ابتدا به دنبال آن بودند، بگردیم.

پیوتر روزوالاک می‌گوید: «ما چنین بازیافت داده‌هایی را انجام داده‌ایم.

در حالی که تحقیقات قبلی توسط تیم های دیگر بر روی باکتری های چند صد ساله فلور روده متمرکز بود، تیم به رهبری دانشمندان لهستانی تصمیم گرفتند بر روی ژنوم باکتریوفاژهای باستانی ساکن در سیستم گوارش انسان تمرکز کنند. بنابراین ما گامی در زمینه جدیدی از دانش، ویروس‌شناسی، یعنی مطالعه ویروس‌های موجود در نمونه‌های مختلف محیطی برداشتیم. ما جزو اولین کسانی بودیم که نمونه ها را برای باکتریوفاژها بررسی کردیم. روزوالک می‌گوید: ما درها را به سمت یک حوزه فرعی کاملاً جدید باز کردیم، که ویروس‌شناسی فسیلی است، مطالعه ویروس‌های گذشته.

مسابقه تسلیحاتی
دانشمندان تصمیم گرفتند بررسی کنند که ژنوم ویروس‌های باکتریایی در چند قرن گذشته با چه سرعتی تغییر کرده است. آنها فرض کردند که حداقل برخی از باکتریوفاژهای فسیلی شبیه به باکتریوفاژهای مدرن خواهند بود. آنها متوجه شدند که مانع می‌تواند فرآیند تکاملی باشد که هرگونه اثری از شباهت بین نسل‌های بعدی ویروس‌ها را از بین می‌برد. این در مورد یک مسابقه تسلیحاتی مداوم بین باکتری‌ها و ویروس‌ها است که می‌تواند به سرعت و فراتر از تشخیص، هر دو طرف را تغییر دهد.

باکتریوفاژها اغلب در مرگ یا تضعیف باکتری‌ها نقش دارند. بنابراین معمولاً به نفع باکتری‌ها است که مکانیسم‌های دفاعی مؤثری در برابر عوامل بیماری‌زای خود ایجاد کنند. اگر یک باکتری راهی برای دفاع از خود در برابر عفونت پیدا کند، می‌تواند این «به‌روزرسانی نرم‌افزار» ژنتیکی را به همسایگان خود منتقل کند. و سپس فقط آن ویروس‌هایی که شکاف جدیدی در دفاع میزبان پیدا می‌کنند، تکثیر می‌شوند. بنابراین به نظر می‌رسید که باکتریوفاژها و میزبانان آنها همیشه بسیار سریع در حال تکامل بوده‌اند.

و اینجا یک شگفتی رخ داد. محققان ژنوم تقریباً ۳۰۰ گونه باکتریوفاژ را یافتند که تا حدودی شبیه به گونه‌های یافت شده امروزی بودند. با این حال، یکی از ویروس‌ها منحصر به فرد بود: توالی ژنومی آن ۹۷.۷ درصد شبیه ژنوم یک باکتریوفاژ مدرن بود. این ویروس Mushuvirus mushu نام دارد. این ویروس باکتری‌های بی‌هوازی روده‌ای را که تأثیر مثبتی بر سلامت ما دارند، از جمله جنس Faecalibacterium، آلوده می‌کند.

همیشه چه چیزی باعث شده است که نوادگان این ویروس از ۱۳۰۰ سال پیش مشابه اجدادشان باشند؟ نویسندگان این نشریه می‌نویسند که این نشان دهنده «یک رابطه طولانی مدت بین پروفاژ و میزبان آن» است.

روزوالاک می‌گوید: «ویروس ما در ژنوم باکتری گنجانده شده است. و به دلایلی باکتری از خود در برابر آن دفاع نمی‌کند. فرضیه ما این است که یک رابطه متقابل وجود دارد: هر طرف به نوعی از حضور طرف دیگر سود می‌برد – چیزی دریافت می‌کند و می‌خواهد همکاری کند.» بنابراین، بر اساس این مطالعات، می‌توانیم حدس بزنیم که گاهی اوقات باکتری‌ها می‌توانند با فاژها همکاری کنند و از حضور آنها بهره‌مند شوند.

دکتر زیلزینسکی علاوه بر این اظهار می‌کند که پایداری ویروس ممکن است به دلیل توانایی آن در آلوده کردن هشت گونه مختلف باکتری نیز باشد. و این ثابت می‌کند که ویروس‌ها بسیار تطبیق‌پذیر هستند. با این حال، در چنین شرایطی، تغییرات قابل توجه در DNA ویروسی ممکن است منجر به از دست دادن توانایی آلوده کردن یکی از میزبان‌های احتمالی شود. بنابراین ویروس هیچ علاقه‌ای به تکامل ندارد.

جستجوی مدفوع
دکتر زیلزینسکی توضیح می‌دهد که هنگام تحقیق در مورد DNA فسیلی، باید بسیار شکاک بود زیرا احتمال آلودگی تصادفی نمونه‌ها با DNA مدرن وجود دارد. بنابراین، نویسندگان یک سری آزمایش‌های دقیق را برای تأیید صحت ویروس فسیلی انجام دادند. نتایج آزمایش به وضوح نشان داد که موشوویروس موشو به اندازه نمونه آزمایش شده قدمت دارد.

دکتر زیلزینسکی می‌گوید: «ما اولین بازسازی ژنوم باکتریوفاژهای فسیلی را در نمونه‌هایی که محیط روده انسان را تا ۵۰۰۰ سال پیش نشان می‌دهند، انجام داده‌ایم و فهرستی از این ویروس‌ها را گردآوری کرده‌ایم که جنبه‌های ناشناخته‌ای از تاریخ ریزجهان روده را روشن می‌کند. در حین انجام این کار، گونه‌ای از ویروس را کشف کردیم که نه تنها قرن‌ها در روده انسان زنده مانده بود، بلکه حداقل ۱۳۰۰ سال شکل بدون تغییر خود را حفظ کرده بود.»

PAP – علم در لهستان، لودویکا تومالا

اصل مقاله