Otkrića virusologije mogla bi promijeniti biologiju

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Virusi su sićušna, ali “nevjerojatno moćna stvorenja” bez kojih ne bismo preživjeli. Njihov utjecaj na naš planet je neporeciv. Lako ih je pronaći, znanstvenici nastavljaju identificirati dosad nepoznate vrste virusa. Ali koliko znamo o njima? Kako da znamo koju prvo istražiti?

Koronavirus SARS-CoV-2 samo je jedan od nekoliko milijuna virusa koji žive na našem planetu. Znanstvenici brzo identificiraju mnoge nove vrste.

Maya Breitbart je tražila nove viruse u afričkim termitima, antarktičkim tuljanima i Crvenom moru. No, kako se pokazalo, da bi doista išta pronašla, samo je morala pogledati u svoj vrt 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. No, unutar tijela ovih pauka, Maya Brightbart čekala je iznenađenje: kada je Brightbart, stručnjak za virusnu ekologiju na Sveučilištu Južne Floride u St. nepoznatoj znanosti.

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

Sada je jasno da ekosustavi i pojedinačni organizmi ovise o virusima. Virusi su sićušna, ali nevjerojatno moćna stvorenja, ubrzali su evolucijski razvoj milijunima godina, uz njihovu pomoć je izvršen prijenos gena između organizama domaćina. Živeći u svjetskim oceanima, virusi su secirali mikroorganizme, bacajući njihov sadržaj u vodeni okoliš i obogaćujući hranidbenu mrežu hranjivim tvarima. "Ne bismo preživjeli bez virusa", kaže virolog Curtis Suttle sa Sveučilišta British Columbia u Vancouveru u Kanadi.

Međunarodni odbor za taksonomiju virusa (ICTV) utvrdio je da u ovom trenutku u svijetu postoji 9.110 zasebnih tipova virusa, ali to je očito mali djelić njihovog ukupnog broja. To je dijelom zbog činjenice da je službena klasifikacija virusa u prošlosti zahtijevala od znanstvenika da uzgajaju virus u organizmu domaćina ili njegovim stanicama; ovaj proces je dugotrajan i ponekad se čini nerealno kompliciranim.

Drugi razlog je taj što je tijekom znanstvenog istraživanja naglasak bio na pronalaženju onih virusa koji uzrokuju bolesti kod ljudi ili drugih živih organizama koji su od određene vrijednosti za čovjeka, primjerice, radi se o domaćim životinjama i usjevima.

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

Tijekom proteklog desetljeća, broj poznatih virusa je naglo porastao zbog poboljšanja tehnologije detekcije, ali i zbog nedavne promjene pravila za identifikaciju novih vrsta virusa, što je omogućilo otkrivanje virusa bez potrebe za njihovim uzgojem. organizam domaćina.

Jedna od najčešćih metoda je metagenomika. Omogućuje znanstvenicima prikupljanje uzoraka genoma iz okoliša bez potrebe za njihovim uzgojem. Nove tehnologije poput sekvenciranja virusa dodale su više imena virusa na popis, uključujući neka koja su iznenađujuće raširena, ali još uvijek uvelike skrivena od znanstvenika.

“Sada je sjajno vrijeme za ovakvu vrstu istraživanja”, kaže Maya Brightbart. - Mislim da je u mnogočemu sada vrijeme za virom [virom - skup svih virusa koji su karakteristični za pojedini organizam - cca.] ".

Samo u 2020. ICTV je na svoj službeni popis virusa dodao 1044 nove vrste, a tisuće virusa čeka 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 da se razjasni proces njihove evolucije. Postoje jaki dokazi da virusi nisu potjecali iz jednog izvora, već su se pojavili više puta.

Ipak, prava veličina globalne virusne zajednice uglavnom je nepoznata, prema virologu Jensu Kuhnu s američkog Nacionalnog instituta za alergije i zarazne bolesti (NIAID) u Fort Detricku u Marylandu: "Zaista nemamo pojma da se to događa."

Posvuda i posvuda

Svaki virus ima dva svojstva: prvo, genom svakog virusa je zatvoren u proteinski omotač, 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 – ti 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. I virusi također imaju ovu značajku: jedna skupina virusa pohranjuje svoj genom u obliku DNK, dok druga - u obliku RNA.

Postoji čak i bakteriofag koji koristi alternativnu genetsku abecedu, u kojoj je dušična baza A u kanonskom ACGT sustavu zamijenjena drugom molekulom označenom slovom Z [slovo A označava dušičnu bazu "adenin", koja je dio nukleinske kiseline (DNK i RNA); ACGT- dušične baze koje čine DNK, i to: A - adenin, C - citozin, G - gvanin, T - timin, - cca. prev.].

Virusi su toliko sveprisutni i radoznali da se mogu pojaviti čak i ako ih znanstvenici 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 Sveučilištu u Beču, Schultz je 2015. godine koristio metagenomiju za pronalaženje bakterija. Ovim pristupom znanstvenici izoliraju DNK iz niza organizama, melju ih u male komadiće i sekvenciraju. Zatim računalni program sastavlja pojedinačne genome od tih dijelova. Ovaj postupak podsjeća na sastavljanje nekoliko stotina zagonetki odjednom od zasebnih fragmenata pomiješanih jedan s drugim.

Među bakterijskim genomima, Schultz nije mogao ne primijetiti ogroman dio virusnog genoma (očito zato što je taj dio imao gene virusne ovojnice), koji je uključivao 1,57 milijuna parova baza. Pokazalo se da je ovaj virusni genom div, bio je dio grupe virusa, čiji su članovi divovski virusi i po veličini genoma i po apsolutnim dimenzijama (obično 200 nanometara ili više u promjeru). Ovaj virus inficira amebe, alge i druge protozoe, čime utječe na vodene ekosustave, kao i na kopnene ekosustave.

Frederick Schultz, sada mikrobiolog na Zajedničkom institutu za genome američkog Ministarstva energetike u Berkeleyju u Kaliforniji, odlučio je potražiti srodne viruse u metagenomskim bazama podataka. Schultz i njegovi kolege su 2020. u svom članku opisali više od dvije tisuće genoma iz skupine koja sadrži divovske 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 s kolegama s Instituta Senger u Hinkstonu (UK), analizirao je ljudske crijevne metagenome i stvorio bazu podataka koja sadrži više od 140.000 vrsta bakteriofaga. Više od polovice njih bilo je nepoznato znanosti.

Zajednička studija znanstvenika, objavljena u veljači, poklopila se s otkrićima drugih znanstvenika da je jedna od najčešćih skupina virusa koji inficiraju ljudske crijevne bakterije skupina poznata kao crAssphage (nazvana po programu unakrsnog sastavljanja koji ju je otkrio 2014.). Unatoč obilju virusa zastupljenih u ovoj skupini, znanstvenici malo znaju o tome kako virusi ove skupine sudjeluju u ljudskom mikrobiomu, kaže Camarillo-Guerrero, koji sada radi za tvrtku za sekvenciranje DNK Illumina (Illumina se nalazi u Cambridgeu, UK).

Metagenomika je otkrila mnoge viruse, ali u isto vrijeme metagenomika zanemaruje mnoge viruse. U tipičnim metagenomima, RNA virusi nisu sekvencirani, pa su ih mikrobiolog Colin Hill s Irskog nacionalnog sveučilišta u Corku u Irskoj i njegovi kolege tražili u bazama podataka RNA zvanim metatranskripti.

Znanstvenici se obično pozivaju na te podatke kada proučavaju gene u populaciji, t.j. oni geni koji se aktivno pretvaraju u glasničku RNA [glasničku RNA (ili mRNA) nazivaju i glasničku RNA (mRNA) – cca. prev.] uključeni u proizvodnju proteina; ali se tu mogu naći i genomi RNA virusa. Koristeći računalne tehnike za izdvajanje sekvenci iz podataka, tim je pronašao 1015 virusnih genoma u metatrankriptomima iz uzoraka mulja i vode. Zahvaljujući radu znanstvenika, informacije o poznatim virusima značajno su se povećale nakon što se pojavio samo jedan članak.

Zahvaljujući ovim metodama moguće je slučajno prikupiti genome koji ne postoje u prirodi, ali kako bi se to spriječilo, znanstvenici su naučili koristiti metode kontrole. Ali postoje i druge slabosti. Na primjer, iznimno je teško izolirati određene vrste virusa s velikom genetskom raznolikošću, budući da je računalnim programima teško sastaviti različite genske sekvence.

Alternativni pristup je sekvenciranje svakog virusnog genoma zasebno, kao što je to učinio mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia sa Sveučilišta Alicante u Španjolskoj. Nakon prolaska morske vode kroz filtere, izolirao je neke specifične viruse, pojačao njihovu DNK i nastavio s sekvenciranjem.

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

Obiteljska stabla virusa

Takvi oceanski virusi, tajnoviti poput Jamesa Bonda, nemaju službeni latinski naziv, kao ni većina od nekoliko tisuća virusnih genoma otkrivenih tijekom proteklog desetljeća pomoću metagenomike. Ove genomske sekvence postavile su teško pitanje za ICTV: Je li jedan genom dovoljan za imenovanje virusa? Do 2016. postojao je sljedeći redoslijed: ako su znanstvenici predložili bilo koju novu vrstu virusa ili taksonomsku skupinu za ICTV, tada je, uz rijetke iznimke, bilo potrebno u kulturi osigurati ne samo ovaj virus, već i organizam domaćina. No 2016. godine, nakon intenzivne rasprave, 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 klasificiraju viruse na temelju njihovog oblika (na primjer, "dugi", "tanki", "glava i rep") ili na temelju njihovih genoma (DNA ili RNA, jednolančani ili dvolančani), ali ta svojstva nam govore iznenađujuće malo. o njihovom zajedničkom podrijetlu. Na primjer, čini se da su virusi s dvolančanim DNA genomima nastali u najmanje četiri različite situacije.

Početna klasifikacija ICTV virusa (što implicira da stablo virusa i stablo staničnih oblika života postoje odvojeno jedno od drugog) uključivala je samo niže korake evolucijske hijerarhije, u rasponu od vrsta i rodova do razine koja, prema klasifikacija višestaničnog života, ekvivalentna je primatima ili četinjačama. Nije bilo viših razina evolucijske hijerarhije virusa. Mnoge su obitelji virusa postojale izolirano, bez ikakvih veza s drugim vrstama virusa. Tako je 2018. ICTV dodao više razine za klasifikaciju virusa: klase, vrste i područja.

Na sam vrh klasifikacije virusa ICTV je stavio skupine nazvane "realms" (realms), koje su analozi "domena" za stanične oblike života (bakterije, arheje i eukariote), t.j. ICTV je koristio drugu riječ da razlikuje dva stabla. (Prije nekoliko godina, neki su znanstvenici sugerirali da bi se neki virusi vjerojatno mogli uklopiti u stablo staničnih 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 koronavirusi, čiji su genomi jednolančane RNA. Ali tada je ogromna zajednica virologa morala predložiti dodatne taksonomske skupine. Dogodilo se da je evolucijski biolog Eugene Koonin iz Nacionalnog centra za biotehnološke informacije u Bethesdi u Marylandu okupio tim znanstvenika kako bi smislio prvi način kategorizacije virusa. U tu svrhu Kunin je odlučio analizirati sve virusne genome, kao i rezultate studija o virusnim proteinima.

Reorganizirali su regiju Riboviria 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 su dva carstva dobila zeleno svjetlo 2021., ali će originalna četiri vjerojatno ostati najveća. Na kraju, sugerira Kunin, broj kraljevstava mogao bi biti čak 25.

Ovaj broj potvrđuje sumnju mnogih znanstvenika: virusi nemaju zajedničkog pretka. "Ne postoji jedinstveni progenitor za sve viruse", kaže Kunin. – Jednostavno ne postoji. To znači da su se virusi vjerojatno pojavljivali nekoliko puta tijekom povijesti života na Zemlji. Stoga nemamo razloga tvrditi da se virusi ne mogu ponovno pojaviti. "U prirodi se stalno pojavljuju novi virusi", kaže virolog Mart Krupović s Instituta Pasteur u Parizu, koji je sudjelovao i u donošenju odluka ICTV-a i u istraživačkom radu Kuninove grupe na sistematizaciji.

Virolozi imaju nekoliko hipoteza o uzrocima kraljevstava. Možda su područja nastala iz neovisnih genetskih elemenata u zoru života na planeti Zemlji, čak i prije nego što su stanice formirane. Ili su možda napustili cijele stanice, "pobjegli" iz njih, napustivši većinu staničnih mehanizama kako bi održali svoje postojanje na minimalnoj razini. Kunin i Krupovich zalažu se za hibridnu hipotezu, prema kojoj su ti primarni genetski elementi "ukrali" genetski materijal iz stanice kako bi izgradili virusne čestice. Budući da postoji mnogo hipoteza o podrijetlu virusa, sasvim je moguće da postoji mnogo načina njihovog pojavljivanja, kaže virolog Jens Kuhn, koji je u ICTV odboru radio na prijedlogu za novu sistematizaciju virusa.

Unatoč činjenici da su virusna i stanična stabla različita, njihove grane ne samo da se dodiruju, već i razmjenjuju gene. Dakle, gdje bi se trebali klasificirati virusi - žive ili nežive? Odgovor ovisi o tome kako definirate "živ". Mnogi znanstvenici ne smatraju virus živim bićem, dok se drugi s tim ne slažu. "Sklon sam vjerovati da su živi", kaže bioinformatičar Hiroyuki Ogata, koji istražuje viruse na Sveučilištu Kyoto u Japanu. “Oni evoluiraju, imaju genetski materijal napravljen od DNK i RNA. I oni su vrlo važan čimbenik u evoluciji svih živih bića."

Sadašnja klasifikacija je široko prihvaćena i predstavlja prvi pokušaj generalizacije raznolikosti virusa, iako neki virolozi smatraju da je donekle neprecizna. Desetak obitelji virusa još uvijek nema veze s bilo kojim područjem. “Dobra vijest je da pokušavamo uvesti barem malo reda u ovaj nered,” dodaje mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

Promijenili su svijet

Ukupna masa virusa koji žive na Zemlji jednaka je 75 milijuna plavih kitova. Znanstvenici su uvjereni da virusi utječu na prehrambene mreže, ekosustave, pa čak i na atmosferu našeg planeta. Prema riječima stručnjaka za virusologiju okoliša Matthewa Sullivana sa Sveučilišta Ohio State u Columbusu, znanstvenici sve više otkrivaju nove vrste virusa, a istraživači "otkrivaju dosad nepoznate načine na koje virusi imaju izravan utjecaj na ekosustave". Znanstvenici pokušavaju kvantificirati ovu izloženost virusu.

“U ovom trenutku nemamo jednostavno objašnjenje za fenomene koji se događaju”, kaže Hiroyuki Ogata.

U svjetskim oceanima virusi mogu napustiti svoje mikrobe domaćine, oslobađajući ugljik, koji će reciklirati druga stvorenja koja jedu unutrašnjost tih mikroba domaćina, a zatim ispuštaju ugljični dioksid. No nedavno su znanstvenici također došli do zaključka da se stanice koje pucaju često skupljaju i tonu na dno svjetskih oceana, vežući ugljik iz atmosfere.

Otapanje 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 njegovi kolege opisali su 2018. 1907 virusnih genoma i njihovih fragmenata prikupljenih tijekom 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 podrijetla. Tako su, na primjer, od virusa naši preci sisavaca dobili gen neophodan za razvoj posteljice.

Znanstvenici će trebati više od samo svojih genoma kako 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 suradnici koristili su jednostaničnu genomiku kako bi identificirali mikrobe koji sadrže nedavno otkriveni virus 37-F6. Organizam domaćin ovog virusa je bakterija Pelagibacter, koja je jedan od najraširenijih i najraznovrsnijih morskih organizama. U nekim regijama svjetskih oceana, Pelagibacter čini gotovo polovicu svih stanica koje žive u njegovim vodama. Kada bi virus 37-F6 iznenada nestao, nastavlja Martinez-Garcia, život vodenih organizama bio bi ozbiljno poremećen.

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

U načelu, 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 što se događa s genima rodopsina, Alexandra Vorden planira kultivirati organizam domaćina (domaćina) zajedno s virusom kako bi proučila mehanizam funkcioniranja ovog para (domaćina-virusa), ujedinjenog u jedan kompleks - "virocell".

"Samo putem stanične biologije možete reći koja je prava uloga ovog fenomena i kako točno utječe na ciklus ugljika", dodaje Warden.

Maya Brightbart u svom domu na Floridi nije uzgajala viruse izolirane od pauka Gasteracantha cancriformis, ali je uspjela naučiti ponešto o njima. Dva dosad nepoznata virusa pronađena u ovim paucima pripadaju skupini koju je Brightbart opisao kao "nevjerojatnu" - 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 smatra da je zapravo njegova funkcija zaraziti plijen koji pauk naknadno pojede. Drugi virus se može naći u raznim dijelovima paukovog tijela – u klancu 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 utječu na životni ciklus i ekologiju organizma domaćina. Ali prvo, virolozi moraju odgovoriti na jedno od najtežih pitanja, podsjeća nas Brightbart: "Kako da znamo koje ćemo istražiti na početku?"