私たちの目には見えない海のミクロの世界では、常識を覆す「巨大なウイルス」たちが、生態系の運命を左右しています。彼らは時に、海岸を真っ赤に染める「赤潮」のような現象の引き金を引く、恐るべき存在です。しかし、その正体の多くは謎に包まれていました。この度、スーパーコンピュータを駆使した最新の研究が、この謎に満ちたウイルスの新たな姿を次々と明らかにし、海洋環境の未来を予測するための重要な手がかりをもたらしました。巨大ウイルスは、プロティストと呼ばれる単細胞の海洋生物の生存に関与しています。これらには、海洋食物網の基盤を形成する藻類、アメーバ、鞭毛虫などが含まれます。そして、これらのプロティストは食物連鎖の重要な一部であるため、これらの大きなDNAウイルスは、しばしば有害藻類ブルーム（赤潮など）を含む様々な公衆衛生上のハザードの原因となります。
マイアミ大学ローゼンスティール海洋・大気・地球科学研究科の科学者たちによる新しい研究は、私たちの水路や海洋に存在する多種多様なウイルスを解き明かすのに役立つかもしれません。この知識は、地域の指導者たちが、有害藻類ブルームがいつ海岸線に影響を与えるか、あるいは地域の湾、川、湖に他のウイルスが存在するかについて、より良く備えるのに役立つ可能性があります。研究者たちは、高性能コンピューティング手法を用いて、公開されている海洋メタゲノムデータセットから230種の新規巨大ウイルスを特定し、その機能を特徴付けました。
科学誌『Nature npj Viruses』にオープンアクセスで掲載された彼らの発見には、これまで文献で知られていなかった新しい巨大ウイルスゲノムの発見が含まれています。これらのゲノム内では、光合成に関与する9つのタンパク質を含む、530の新しい機能性タンパク質が特徴付けられました。これは、これらのウイルスが感染中に宿主とその光合成プロセスを操作できる可能性を示しています。
「海洋における巨大ウイルスの多様性と役割、そしてそれらが藻類や他の海洋微生物とどのように相互作用するかをより良く理解することで、フロリダだけでなく世界中で人間の健康へのハザードとなっている有害藻類ブルームを予測し、管理できる可能性があります」と、本研究の共著者兼責任著者であり、ローゼンスティール研究科の海洋生物学・生態学部門の助教であるモハマド・モニルザマン博士（Mohammad Moniruzzaman, PhD）は述べています。「巨大ウイルスは、海洋生態系と食料源を支える食物網の基盤として機能する多くの植物プランクトンの主な死因となることがよくあります。巨大ウイルスに見られる新規機能は、バイオテクノロジーへの応用の可能性を秘めており、これらの機能の一部は新規の酵素を代表するかもしれません」。
最近まで、巨大ウイルスはバイオインフォマティクスのパイプラインの限界により、科学的な手法ではほとんど検出されていませんでした。研究者たちは、広範な公開DNAシーケンシングデータセット内で巨大ウイルスゲノムを特定するために設計された、BEREN（Bioinformatic tool for Eukaryotic virus Recovery from Environmental metageNomes）と呼ばれる革新的なツールを作成しました。
「私たちは、巨大ウイルスが炭素代謝や光合成といった、伝統的には細胞性生物にしか見られない細胞機能に関わる遺伝子を持っていることを発見しました」と、本研究の筆頭著者であり、ローゼンスティール研究科の海洋生物学・生態学部門の博士課程学生であるベンジャミン・ミンチ氏（Benjamin Minch）は言います。「これは、巨大ウイルスが感染中に宿主の代謝を操作し、海洋の生物地球化学に影響を与える上で、非常に大きな役割を果たしていることを示唆しています」。
著者らは、マイアミ大学のデータ科学・コンピューティングフロスト研究所（IDSC）にあるスーパーコンピュータ「Pegasus」を使用して、しばしばライブラリあたり1ギガベースを超える大規模なメタゲノムを処理・アセンブルし、数百の微生物群集ライブラリの再構築を可能にしました。
「この研究により、私たちは水路における汚染や病原体を監視する能力を向上させるのに役立つ、新規ウイルスを検出するための既存のツールを改善するフレームワークを作成することができました」とミンチ氏は付け加えました。
研究チームは、極から極まで広がる9つの大規模な世界海洋サンプリングプロジェクトからDNAシーケンシングデータをダウンロードしました。BERENを用いて、彼らはデータから巨大ウイルスゲノムを回収しました。その後、ゲノムは公開されている遺伝子機能データベースを用いてアノテーションされ、これらのウイルスによってコードされる機能が特徴付けられました。これらのゲノムは、現在利用可能なすべての巨大ウイルスの代表と比較され、新規の機能が特定されました。
この研究を促進するために使用されたBERENプログラムは、シーケンシングデータセット内の巨大ウイルスを特定・分類するための使いやすいワンストップツールを提供することで、研究分野のギャップを埋めます。BERENは誰でも利用可能で、https://gitlab.com/benminch1/BEREN からダウンロードできます。
この研究は、「Expansion of the Genomic and Functional Diversity of Global Ocean Giant Viruses（地球規模の海洋巨大ウイルスのゲノムおよび機能的多様性の拡大）」と題され、2025年4月21日に科学誌『Nature npj Viruses』に掲載されました。著者は、マイアミ大学ローゼンスティール海洋・大気・地球科学研究科のベンジャミン・ミンチ氏とモハマド・モニルザマン博士です。
写真：モハマド・モニルザマン博士（Mohammad Moniruzzaman, PhD）
