感染微生物
病毒是地球上一類特別而又平常的存在。說它們特別，是因為病毒一方面具有如遺傳物質（DNA/RNA）和蛋白質等生命特徵，但與此同時又必須依賴別的宿主細胞才能生存。而說它們平常，是因為病毒是地球上數量最多、種類最多的生物實體。
病毒生活在各種各樣的棲息地中，僅在海洋里，病毒的數量就是其他微生物的十倍。病毒不僅能感染人類、昆蟲等動物，也能感染微生物。雖然科學家並非近年才知道病毒可以感染微生物，但此前他們並不清楚這種感染的流行率。直到最近，科學家才開始了解病毒的多樣性及它們在生態系統中的影響和功能。
在一項發表於《自然·微生物學》雜誌的新研究中，來自哈佛大學的一組研究人員通過檢查感染了深海微生物的病毒，發現病毒與宿主的相互作用，比之前以為的要多樣化得多。
相同的免疫力
2021年，這項研究的作者在墨西哥的瓜伊馬斯海盆考察時，從深海的海底熱液中收集到了微生物墊。這些微生物墊是由大量的細菌和古菌構成的，它們在這些生態系統中占主導地位。雖然細菌和古菌同為微生物，但它們屬於非常不同的分類單元，其差異就好比細菌和人的差別一樣。
然而，研究人員卻驚奇地發現，這兩類有著天壤之別的微生物，對同一種病毒具有免疫力。這令研究人員感到困惑，因為古菌和細菌的差異實在太大，被相同的病毒感染的可能性應該非常小。
研究人員發現，海底熱液系統中的細菌和古菌存在共生關係，由它們所形成的聚集體，可以利用存在於這些環境中的甲烷的能量。但這並不足以解釋這種相同的免疫力，因為無論共生與否，感染機制都應該是非常複雜的，而且會根據宿主的不同而不同。
這引發了研究人員的思考：除了感染之外，病毒與微生物之間是否還可能存在其他的相互作用方式？
自然界中的研究障礙
Yunha Hwang是這項新研究的第一作者，她曾研究過沙漠環境中的病毒，並觀察到自然界中的宿主與病毒之間的相互作用，要比實驗室環境中的要微妙得多。
與沙漠土壤相比，深海的海底熱液有著更加豐富的微生物，那裡蘊藏巨大的微生物墊，有著數十億處於共生關係中的微生物。那麼，在海底熱液這樣的獨特環境中，病毒是否有更廣泛的「宿主範圍」？換句話說，它們能感染不同的微生物嗎？
想要了解病毒在這種微生物密度極高的棲息地中的情況，是非常具有挑戰性的。因為99%甚至更多的已知存在於自然界的微生物，都無法在實驗室中培養。而大多數關於病毒的研究，都依賴於在實驗室中用一種培養物和一種病毒來實現。
近年來，一些科學家試圖通過不同的工具將研究擴展到自然界。比如，他們會對海洋或土壤中的微生物進行DNA測序，而不是試圖在實驗室進行培養。
宿主-病毒的相互作用
在新研究中，研究人員對從海底熱液中採集的微生物墊中的DNA進行了測序，並採用可編碼微生物的免疫記憶的CRISPR間隔區，來推斷微生物對哪些病毒免疫。然後，他們再用一種名為Hi-C（高通量染色體構象捕獲）的新測序技術，來驗證他們的推測。
CRISPR間隔區分析和Hi-C數據表明，病毒會與有著非常遙遠的親緣關係的微生物相互作用，特別是那些彼此共生的微生物。這種相互作用帶來的一種非常有趣的現象是，共生微生物會帶有對抗相同病毒的免疫記憶。這意味著，共生合作的優勢也存在於它們的免疫中。
過去，科學家普遍認為，病毒只與一小部分宿主相互作用。新的發現表明，細菌和古菌能以某種方式，與同一種病毒相互作用。這挑戰了傳統觀點的認知。
基於這些結果，研究人員提出了不同的宿主與病毒的相互作用的模型，這些模型具有超越感染的生態和進化意義。他們認為，在自然界，尤其是在微生物以共生關係存在的地方，病毒與那些並非病毒的主要宿主的微生物之間的相互作用，實際上可能非常普遍。這一發現將有助於更好地理解病毒，以及設計病毒療法。
參考來源：
https://phys.org/news/2023-04-microbes-benefit-immunological-memory.html#google_vignette
https://www.nature.com/articles/s41564-023-01347-5
封面圖&首圖：PublicDomainPictures / Pixabay