Otkrića virusologije mogla bi promijeniti biologiju

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Virusi su sićušna, ali “nevjerovatno moćna stvorenja” bez kojih ne bismo preživjeli. Njihov uticaj na našu planetu je neosporan. Lako ih je pronaći, naučnici nastavljaju da identifikuju ranije nepoznate vrste virusa. Ali koliko znamo o njima? Kako da znamo koju da prvo istražimo?

Korona virus SARS-CoV-2 samo je jedan od nekoliko miliona virusa koji žive na našoj planeti. Naučnici brzo identifikuju mnoge nove tipove.

Maya Breitbart je tražila nove viruse u afričkim termitima, antarktičkim fokama i Crvenom moru. Ali, kako se ispostavilo, da bi zaista bilo šta pronašla, samo je morala da pogleda u svoju kućnu baštu na Floridi. Tamo, oko bazena, možete pronaći paukove kuglaste mreže vrste Gasteracantha cancriformis.

Imaju svijetlu boju i zaobljena bijela tijela, na kojima su uočljive crne mrlje i šest grimiznih trna, slično neobičnom oružju iz srednjeg vijeka. Ali unutar tijela ovih pauka, Mayu Brightbart čekalo je iznenađenje: kada je Brightbart, stručnjak za virusnu ekologiju na Univerzitetu Južne Floride u St. nepoznatoj nauci.

Kao što znate, od 2020. godine mi, obični ljudi, zaokupljeni smo samo jednim posebno opasnim virusom koji je sada svima poznat, ali ima mnogo drugih virusa koji još nisu otkriveni. Prema naučnicima, oko 10³¹različite virusne čestice, što je deset milijardi puta više od približnog broja zvijezda u vidljivom svemiru.

Sada je jasno da ekosistemi i pojedinačni organizmi zavise od virusa. Virusi su sićušna, ali nevjerovatno moćna stvorenja, ubrzali su evolucijski razvoj milionima godina, uz njihovu pomoć izvršen je prijenos gena između organizama domaćina. Živeći u svjetskim oceanima, virusi su secirali mikroorganizme, bacajući njihov sadržaj u vodeno okruženje i obogaćujući mrežu ishrane hranjivim tvarima. "Ne bismo preživjeli bez virusa", kaže virolog Curtis Suttle sa Univerziteta Britanske Kolumbije u Vancouveru, Kanada.

Međunarodni komitet za taksonomiju virusa (ICTV) utvrdio je da u ovom trenutku u svijetu postoji 9.110 odvojenih tipova virusa, ali je to očito mali dio njihovog ukupnog broja. To je dijelom zbog činjenice da je službena klasifikacija virusa u prošlosti zahtijevala od naučnika da kultiviraju virus u organizmu domaćina ili njegovim stanicama; ovaj proces je dugotrajan i ponekad izgleda nerealno komplikovan.

Drugi razlog je taj što je u toku naučnih istraživanja akcenat bio na pronalaženju onih virusa koji izazivaju bolesti kod ljudi ili drugih živih organizama koji su od određene vrednosti za čoveka, na primer, radi se o domaćim životinjama i usevima.

Ipak, kako nas je podsjetila pandemija covid-19, važno je proučavati viruse koji se mogu prenijeti s jednog organizma domaćina na drugi, a upravo to predstavlja prijetnju ljudima, ali i domaćim životinjama ili usjevima.

Tokom protekle decenije, broj poznatih virusa je naglo skočio zbog poboljšanja tehnologije detekcije, ali i zbog nedavne promene pravila za identifikaciju novih tipova virusa, što je omogućilo otkrivanje virusa bez potrebe za njihovo kultivisanje sa organizam domaćina.

Jedna od najčešćih metoda je metagenomija. Omogućava naučnicima da prikupe uzorke genoma iz okoline bez potrebe da ih uzgajaju. Nove tehnologije kao što je sekvencioniranje virusa dodale su više imena virusa na listu, uključujući i neka koja su iznenađujuće rasprostranjena, ali još uvijek u velikoj mjeri skrivena od naučnika.

„Sada je sjajno vrijeme za ovakvu vrstu istraživanja“, kaže Maya Brightbart. - Mislim da je po mnogo čemu sada došlo vrijeme za virom [virom - skup svih virusa koji su karakteristični za pojedini organizam - cca.] ".

Samo u 2020., ICTV je dodao 1.044 nove vrste na svoju službenu listu virusa, s još hiljadama virusa koji čekaju na opis i za sada nisu imenovani. Pojava tako velike raznolikosti genoma potaknula je virologe da preispitaju način na koji su virusi klasificirani i pomogla je da se razjasni proces njihove evolucije. Postoje jaki dokazi da virusi nisu nastali iz jednog izvora, već su se pojavili više puta.

Ipak, prava veličina globalne virusne zajednice je uglavnom nepoznata, kaže virolog Jens Kuhn iz američkog Nacionalnog instituta za alergije i infektivne bolesti (NIAID) u Fort Detricku, Maryland: „Zaista nemamo pojma da se to događa.

Svuda i svuda

Svaki virus ima dva svojstva: prvo, genom svakog virusa je zatvoren u proteinskom omotaču, i, drugo, svaki virus koristi strani organizam domaćina - bilo da se radi o čovjeku, pauku ili biljci - u svrhu svoje reprodukcije. Ali postoji bezbroj varijacija u ovoj općoj shemi.

Na primjer, sićušni cirkovirusi imaju samo dva ili tri gena, dok masivni mimivirusi, koji su veći od nekih bakterija, imaju stotine gena.

Na primjer, postoje bakteriofagi koji su donekle slični aparatima za slijetanje na Mjesec - ovi bakteriofagi inficiraju bakterije. I, naravno, danas svi znaju za ubojita jaja načičkana trnjem, čije su slike sada bolno poznate, možda, svakoj osobi u bilo kojoj zemlji svijeta. A virusi imaju i ovu osobinu: jedna grupa virusa pohranjuje svoj genom u obliku DNK, dok druga - u obliku RNK.

Postoji čak i bakteriofag koji koristi alternativnu genetsku abecedu, u kojoj je dušična baza A u kanonskom ACGT sistemu zamijenjena drugim molekulom označenim slovom Z [slovo A označava azotnu bazu "adenin", koja je dio nukleinskog kiseline (DNK i RNK); ACGT- azotne baze koje čine DNK, i to: A - adenin, C - citozin, G - gvanin, T - timin, - cca. transl.].

Virusi su toliko sveprisutni i radoznali da se mogu pojaviti čak i ako ih naučnici ne traže. Tako, na primjer, Frederik Schulz uopće nije namjeravao proučavati viruse, njegovo područje znanstvenog istraživanja je slijed genoma iz otpadnih voda. Kao diplomirani student na Univerzitetu u Beču, Schultz je koristio metagenomiju da pronađe bakterije 2015. godine. Ovim pristupom, naučnici izoluju DNK iz niza organizama, melju ih u male komadiće i sekvenciraju. Zatim kompjuterski program sastavlja pojedinačne genome od ovih delova. Ovaj postupak podsjeća na sastavljanje nekoliko stotina slagalica odjednom od zasebnih fragmenata pomiješanih jedan s drugim.

Među bakterijskim genomima, Schultz nije mogao a da ne primijeti ogroman dio virusnog genoma (očigledno zato što je ovaj dio imao gene virusne ovojnice), koji je uključivao 1,57 miliona parova baza. Ovaj virusni genom se pokazao kao div, bio je dio grupe virusa, čiji su članovi džinovski virusi i po veličini genoma i po apsolutnim dimenzijama (obično 200 nanometara ili više u prečniku). Ovaj virus inficira amebe, alge i druge protozoe, čime utiče na vodene ekosisteme, kao i na kopnene ekosisteme.

Frederick Schultz, sada mikrobiolog na Zajedničkom institutu za genom pri Ministarstvu energetike SAD-a u Berkeleyu u Kaliforniji, odlučio je potražiti srodne viruse u metagenomskim bazama podataka. Godine 2020., u svom članku, Schultz i njegove kolege opisali su više od dvije hiljade genoma iz grupe koja sadrži džinovske viruse. Podsjetimo, ranije je samo 205 takvih genoma bilo uključeno u javno dostupne baze podataka.

Osim toga, virusolozi su također morali pogledati unutar ljudskog tijela u potrazi za novim vrstama. Stručnjak za bioinformatiku virusa Luis Camarillo-Guerrero, zajedno sa kolegama sa Senger instituta u Hinkstonu (UK), analizirao je metagenome crijeva čovjeka i napravio bazu podataka koja sadrži više od 140.000 vrsta bakteriofaga. Više od polovine njih bilo je nepoznato nauci.

Zajednička studija naučnika, objavljena u februaru, poklopila se sa nalazima drugih naučnika da je jedna od najčešćih grupa virusa koji inficiraju bakterije ljudskog creva grupa poznata kao crAssphage (nazvana po programu unakrsnog sastavljanja koji ju je otkrio 2014.). Uprkos obilju virusa zastupljenih u ovoj grupi, naučnici malo znaju o tome kako virusi ove grupe učestvuju u ljudskom mikrobiomu, kaže Camarillo-Guerrero, koji sada radi za kompaniju za sekvenciranje DNK Illumina (Illumina se nalazi u Kembridžu, Velika Britanija).

Metagenomika je otkrila mnoge viruse, ali u isto vrijeme metagenomika ignorira mnoge viruse. U tipičnim metagenomima, RNA virusi nisu sekvencirani, pa su ih mikrobiolog Colin Hill sa Irskog nacionalnog univerziteta u Corku, Irska, i njegove kolege tražili u bazama podataka RNA zvanim metatranskripti.

Naučnici se obično pozivaju na ove podatke kada proučavaju gene u populaciji, tj. oni geni koji se aktivno pretvaraju u glasničku RNK [glasničku RNK (ili mRNA) nazivaju i glasničku RNK (mRNA) - cca. transl.] uključeni u proizvodnju proteina; ali se tu mogu naći i genomi RNA virusa. Koristeći računarske tehnike za izdvajanje sekvenci iz podataka, tim je pronašao 1.015 virusnih genoma u metatrankriptomima iz uzoraka mulja i vode. Zahvaljujući radu naučnika, informacije o poznatim virusima su značajno porasle nakon što se pojavio samo jedan članak.

Zahvaljujući ovim metodama moguće je slučajno prikupiti genome koji ne postoje u prirodi, ali da bi se to spriječilo, naučnici su naučili koristiti metode kontrole. Ali postoje i druge slabosti. Na primjer, izuzetno je teško izolovati određene tipove virusa sa velikom genetskom raznolikošću, jer je kompjuterskim programima teško da sastave različite sekvence gena.

Alternativni pristup je sekvenciranje svakog virusnog genoma zasebno, kao što je to uradio mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia sa Univerziteta Alicante u Španiji. Nakon prolaska morske vode kroz filtere, izolovao je neke specifične viruse, pojačao njihov DNK i nastavio sa sekvenciranjem.

Nakon prvog pokušaja, pronašao je 44 genoma. Ispostavilo se da je jedan od njih vrsta jednog od najčešćih virusa koji žive u okeanu. Ovaj virus ima tako veliku genetsku raznolikost (tj. genetski fragmenti njegovih virusnih čestica su toliko različiti u različitim virusnim česticama) da se njegov genom nikada nije pojavio u metagenomskim istraživanjima. Naučnici su ga nazvali "37-F6" zbog njegove lokacije na laboratorijskoj posudi. Međutim, našalio se Martinez-Garcia, s obzirom na sposobnost genoma da se sakrije na vidnom mjestu, trebao je biti nazvan 007 po super agentu Jamesu Bondu.

Porodična stabla virusa

Takvi okeanski virusi, tajnoviti poput Jamesa Bonda, nemaju službeno latinsko ime, kao ni većina od nekoliko hiljada virusnih genoma otkrivenih u protekloj deceniji pomoću metagenomike. Ove genomske sekvence postavile su teško pitanje za ICTV: da li je jedan genom dovoljan za imenovanje virusa? Do 2016. postojao je sljedeći redoslijed: ako su znanstvenici predložili bilo koju novu vrstu virusa ili taksonomsku grupu za ICTV, tada je, uz rijetke izuzetke, bilo potrebno u kulturi osigurati ne samo ovaj virus, već i organizam domaćina. Ali 2016. godine, nakon intenzivne debate, virolozi su se složili da bi jedan genom bio dovoljan.

Počele su stizati aplikacije za nove viruse i grupe virusa. Ali evolucijski odnosi između ovih virusa ponekad su ostali nejasni. Virolozi obično klasifikuju viruse na osnovu njihovog oblika (na primjer, "dugi", "tanki", "glava i rep") ili na osnovu njihovih genoma (DNK ili RNK, jednolančani ili dvolančani), ali ova svojstva nam govore iznenađujuće malo. o njihovom zajedničkom poreklu. Na primjer, čini se da su virusi s dvolančanim DNK genomima nastali u najmanje četiri različite situacije.

Početna klasifikacija ICTV virusa (koja implicira da stablo virusa i stablo staničnih oblika života postoje odvojeno jedno od drugog) uključivala je samo niže stepenice evolucijske hijerarhije, u rasponu od vrsta i rodova do nivoa koji, prema klasifikacija višećelijskog života, ekvivalentna je primatima ili četinarima. Nije bilo viših nivoa evolucione hijerarhije virusa. I mnoge porodice virusa postojale su izolovano, bez ikakvih veza sa drugim tipovima virusa. Dakle, 2018. godine, ICTV je dodao više razine za klasifikaciju virusa: klase, vrste i područja.

Na sam vrh klasifikacije virusa ICTV stavlja grupe pod nazivom "realms" (realms), koji su analogi "domena" za stanične oblike života (bakterije, arheje i eukariote), tj. ICTV je koristio drugu riječ da razlikuje dva stabla. (Prije nekoliko godina, neki naučnici su sugerirali da bi se neki virusi vjerovatno mogli uklopiti u stablo ćelijskih oblika života; ali ova ideja nije dobila široko odobrenje.)

ICTV je ocrtao grane stabla virusa i dodijelio RNA viruse regiji zvanoj Riboviria; Inače, dio ovog područja je virus SARS-CoV-2 i drugi korona virusi, čiji su genomi jednolančane RNK. Ali tada je ogromna zajednica virologa morala predložiti dodatne taksonomske grupe. Desilo se da je evolucijski biolog Eugene Koonin iz Nacionalnog centra za biotehnološke informacije u Bethesdi, Maryland, okupio tim naučnika kako bi smislio prvi način kategorizacije virusa. U tu svrhu, Kunin je odlučio da analizira sve virusne genome, kao i rezultate studija o virusnim proteinima.

Reorganizovali su regiju Ribovirija i predložili još tri carstva. Bilo je kontroverzi oko nekih detalja, rekao je Kunin, ali su 2020. godine članovi ICTV-a bez većih poteškoća odobrili sistematizaciju. Prema Kuninu, još dva carstva su dobila zeleno svjetlo 2021., ali će originalna četiri vjerovatno ostati najveća. Na kraju, Kunin sugeriše, broj carstava bi mogao biti čak 25.

Ovaj broj potvrđuje sumnju mnogih naučnika: virusi nemaju zajedničkog pretka. "Ne postoji jedinstveni progenitor za sve viruse", kaže Kunin. "To jednostavno ne postoji." To znači da su se virusi vjerovatno pojavljivali nekoliko puta tokom istorije života na Zemlji. Dakle, nemamo razloga da kažemo da se virusi ne mogu ponovo pojaviti. "Novi virusi se stalno pojavljuju u prirodi", kaže virolog Mart Krupović sa Instituta Pasteur u Parizu, koji je bio uključen i u donošenje odluka ICTV-a i u istraživački rad Kuninove grupe na sistematizaciji.

Virolozi imaju nekoliko hipoteza o uzrocima carstava. Možda su carstva nastala od nezavisnih genetskih elemenata u zoru života na planeti Zemlji, čak i prije nego što su ćelije formirane. Ili su možda napustili cijele ćelije, "pobjegli" iz njih, napustivši većinu ćelijskih mehanizama kako bi održali svoje postojanje na minimalnom nivou. Kunin i Krupovich zalažu se za hibridnu hipotezu, prema kojoj su ti primarni genetski elementi "krali" genetski materijal iz ćelije kako bi izgradili virusne čestice. Budući da postoji mnogo hipoteza o porijeklu virusa, sasvim je moguće da postoji mnogo načina njihovog pojavljivanja, kaže virolog Jens Kuhn, koji je u ICTV komitetu radio na prijedlogu za novu sistematizaciju virusa.

Unatoč činjenici da su virusna i ćelijska stabla različita, njihove grane ne samo da se dodiruju, već i razmjenjuju gene. Dakle, gdje treba klasificirati viruse - žive ili nežive? Odgovor zavisi od toga kako definišete "živ". Mnogi naučnici ne smatraju da je virus živo biće, dok se drugi ne slažu. "Vjerujem da su živi", kaže bioinformatičar Hirojuki Ogata, koji istražuje viruse na Univerzitetu Kjoto u Japanu. “Oni evoluiraju, imaju genetski materijal napravljen od DNK i RNK. I oni su veoma važan faktor u evoluciji svih živih bića."

Trenutna klasifikacija je široko prihvaćena i predstavlja prvi pokušaj generalizacije raznolikosti virusa, iako neki virolozi smatraju da je donekle neprecizna. Desetak porodica virusa i dalje nema veze ni sa jednim domenom. “Dobra vijest je da pokušavamo uvesti barem malo reda u ovaj nered,” dodaje mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

Oni su promijenili svijet

Ukupna masa virusa koji žive na Zemlji je ekvivalentna 75 miliona plavih kitova. Naučnici su uvjereni da virusi utiču na mreže hrane, ekosisteme, pa čak i na atmosferu naše planete. Prema riječima stručnjaka za virologiju okoliša Matthewa Sullivana sa Državnog univerziteta Ohajo u Kolumbusu, naučnici sve više otkrivaju nove vrste virusa, a istraživači "otkrivaju ranije nepoznate načine na koje virusi imaju direktan utjecaj na ekosisteme". Naučnici pokušavaju kvantificirati ovu izloženost virusu.

„U ovom trenutku nemamo jednostavno objašnjenje za fenomene koji se dešavaju“, kaže Hirojuki Ogata.

U svjetskim oceanima, virusi mogu napustiti svoje mikrobe domaćine, oslobađajući ugljik, koji će reciklirati druga stvorenja koja jedu unutrašnjost ovih mikroba domaćina, a zatim ispuštaju ugljični dioksid. Ali nedavno, naučnici su takođe došli do zaključka da se ćelije koje pucaju često skupljaju i tonu na dno svetskih okeana, vezujući ugljenik iz atmosfere.

Topljenje permafrosta na kopnu glavni je izvor stvaranja ugljika, rekao je Matthew Sullivan, a čini se da virusi pomažu u oslobađanju ugljika iz mikroorganizama u ovom okruženju. Sullivan i njegove kolege su 2018. opisali 1.907 virusnih genoma i njihovih fragmenata prikupljenih tokom odmrzavanja permafrosta u Švedskoj, uključujući gene za proteine koji na neki način mogu utjecati na proces raspadanja ugljikovih spojeva i, moguće, na proces njihove transformacije u stakleničke plinove..

Virusi mogu utjecati i na druge organizme (na primjer, mijenjati njihove genome). Na primjer, virusi nose gene za otpornost na antibiotike od jedne bakterije do druge, a sojevi otporni na lijekove mogu na kraju prevladati. Prema Luisu Camarillo-Guerreru, s vremenom takav prijenos gena može uzrokovati ozbiljne evolucijske pomake u određenoj populaciji – i to ne samo u bakterijama. Dakle, prema nekim procjenama, 8% ljudske DNK je virusnog porijekla. Tako su, na primjer, od virusa naši preci sisara dobili gen neophodan za razvoj placente.

Naučnicima će biti potrebno više od samo njihovih genoma da bi riješili mnoga pitanja o ponašanju virusa. Također je potrebno pronaći domaćine virusa. U ovom slučaju, trag se može pohraniti u samom virusu: virus, na primjer, može sadržavati prepoznatljivi fragment genetskog materijala domaćina u vlastitom genomu.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia i kolege koristili su jednoćelijsku genomiku da identifikuju mikrobe koji sadrže nedavno otkriveni virus 37-F6. Organizam domaćin ovog virusa je bakterija Pelagibacter, koja je jedan od najrasprostranjenijih i najraznovrsnijih morskih organizama. U nekim regijama svjetskih oceana, Pelagibacter čini gotovo polovinu svih ćelija koje žive u njegovim vodama. Ako bi virus 37-F6 iznenada nestao, nastavlja Martinez-Garcia, život vodenih organizama bio bi ozbiljno poremećen.

Naučnici moraju shvatiti kako mijenja svog domaćina kako bi dobili potpunu sliku o utjecaju određenog virusa, objašnjava evoluciona ekologinja Alexandra Worden iz Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) u Kielu, Njemačka. Warden proučava divovske viruse koji nose gene za fluorescentni protein zvan rodopsin.

U principu, ovi geni također mogu biti korisni organizmima domaćinima, na primjer, u svrhe kao što su prijenos energije ili prijenos signala, ali ta činjenica još nije potvrđena. Kako bi saznala šta se dešava sa genima rodopsina, Alexandra Vorden planira da kultiviše organizam domaćina (domaćina) zajedno sa virusom kako bi proučila mehanizam funkcionisanja ovog para (domaćin-virus), ujedinjenog u jedinstven kompleks. - "virocell".

"Samo kroz ćelijsku biologiju možete reći koja je prava uloga ovog fenomena i kako tačno utiče na ciklus ugljika", dodaje Warden.

U svom domu na Floridi, Maya Brightbart nije uzgajala viruse izolirane od pauka Gasteracantha cancriformis, ali je uspjela naučiti ponešto o njima. Dva dosad nepoznata virusa pronađena u ovim paucima pripadaju grupi koju je Brightbart opisao kao "nevjerovatnu" - a sve zbog njihovih sićušnih genoma: prvi kodira gen za proteinski omotač, drugi - gen za protein replikacije.

Budući da je jedan od ovih virusa prisutan samo u tijelu pauka, ali ne i u njegovim nogama, Brightbart vjeruje da je zapravo njegova funkcija zaraziti plijen, koji pauk potom pojede. Drugi virus se može naći u različitim dijelovima tijela pauka - u kandži jaja i potomaka - pa Brightbart vjeruje da se ovaj virus prenosi s roditelja na potomstvo. Prema Brightbartu, ovaj virus je bezopasan za pauka.

Dakle, viruse je "zapravo najlakše pronaći", kaže Maya Brightbart. Mnogo je teže odrediti mehanizam kojim virusi utiču na životni ciklus i ekologiju organizma domaćina. Ali prvo, virolozi moraju odgovoriti na jedno od najtežih pitanja, podsjeća nas Brightbart: "Kako da znamo koje da istražimo na početku?"