Odkritja virusologije bi lahko spremenila biologijo

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Virusi so drobna, a "neverjetno močna bitja", brez katerih ne bi preživeli. Njihov vpliv na naš planet je nesporen. Najti jih je enostavno, znanstveniki še naprej identificirajo prej neznane vrste virusov. Toda koliko vemo o njih? Kako vemo, katero naj najprej raziščemo?

Koronavirus SARS-CoV-2 je le eden od več milijonov virusov, ki živijo na našem planetu. Znanstveniki hitro odkrivajo številne nove vrste.

Maya Breitbart je iskala nove viruse v afriških termitih, antarktičnih tjulnjih in Rdečem morju. A kot se je izkazalo, je morala, da bi zares kaj našla, le pogledati v svoj domači vrt na Floridi. Tam okoli bazena lahko najdete pajke s kroglastimi mrežami vrste Gasteracantha cancriformis.

Imajo svetlo barvo in zaobljena bela telesa, na katerih so opazne črne pike in šest škrlatnih trnov, podobno nenavadnemu orožju iz srednjega veka. Toda znotraj teles teh pajkov je Maya Brightbart čakala presenečenje: ko je Brightbart, strokovnjak za virusno ekologijo na Univerzi Južne Floride v St. neznani znanosti.

Kot veste, smo od leta 2020 navadni ljudje preokupirani le z enim posebej nevarnim virusom, ki je zdaj vsem znan, obstaja pa veliko drugih virusov, ki še niso odkriti. Po mnenju znanstvenikov približno 10³¹različnih virusnih delcev, kar je deset milijard krat večje od približnega števila zvezd v opazovanem vesolju.

Zdaj je jasno, da so ekosistemi in posamezni organizmi odvisni od virusov. Virusi so drobna, a neverjetno močna bitja, v milijonih let so pospešili evolucijski razvoj, z njihovo pomočjo je potekal prenos genov med gostiteljskimi organizmi. Virusi, ki živijo v svetovnih oceanih, so secirali mikroorganizme, njihovo vsebino metali v vodno okolje in obogatili prehranjevalno mrežo s hranili. "Brez virusov ne bi preživeli," pravi virolog Curtis Suttle z Univerze Britanske Kolumbije v Vancouvru v Kanadi.

Mednarodni odbor za taksonomijo virusov (ICTV) je ugotovil, da je trenutno na svetu 9.110 različnih vrst virusov, vendar je to očitno majhen del njihovega skupnega števila. To je deloma posledica dejstva, da je uradna klasifikacija virusov v preteklosti od znanstvenikov zahtevala, da gojijo virus v gostiteljskem organizmu ali njegovih celicah; ta proces je dolgotrajen in se včasih zdi nerealno zapleten.

Drugi razlog je, da je bil pri znanstvenih raziskavah poudarek na iskanju tistih virusov, ki povzročajo bolezni pri ljudeh ali drugih živih organizmih, ki imajo določeno vrednost za človeka, na primer gre za domače živali in pridelke.

Kljub temu, kot nas je spomnila pandemija covid-19, je pomembno preučevati viruse, ki se lahko prenašajo z enega gostiteljskega organizma na drugega, in prav to je grožnja za ljudi, pa tudi za domače živali ali pridelke.

V zadnjem desetletju se je število znanih virusov močno povečalo zaradi izboljšav tehnologije odkrivanja, pa tudi zaradi nedavne spremembe pravil za prepoznavanje novih vrst virusov, ki so omogočile odkrivanje virusov brez potrebe po gojenju z gostiteljski organizem.

Ena najpogostejših metod je metagenomska. Omogoča znanstvenikom, da zbirajo vzorce genomov iz okolja, ne da bi jih morali gojiti. Nove tehnologije, kot je zaporedje virusov, so na seznam dodale več imen virusov, vključno z nekaterimi, ki so presenetljivo razširjena, a znanstvenikom še vedno večinoma skrita.

"Zdaj je odličen čas za tovrstno raziskovanje," pravi Maya Brightbart. - Mislim, da je v marsičem zdaj čas za virom [virom - zbirka vseh virusov, ki so značilni za posamezen organizem - pribl.] ".

Samo v letu 2020 je ICTV na svoj uradni seznam virusov dodal 1044 novih vrst, na tisoče drugih virusov, ki čakajo na opis in so zaenkrat neimenovani. Pojav tako velike raznolikosti genomov je virologe spodbudil k ponovnemu premisleku o načinu razvrščanja virusov in pomagal razjasniti proces njihovega razvoja. Obstajajo trdni dokazi, da virusi niso izvirali iz enega vira, ampak so se pojavili večkrat.

Vendar pa je resnična velikost svetovne virusne skupnosti večinoma neznana, pravi virolog Jens Kuhn z ameriškega Nacionalnega inštituta za alergije in infekcijske bolezni (NIAID) v Fort Detricku v Marylandu: "Res nimamo pojma, da se to dogaja."

Povsod in povsod

Vsak virus ima dve lastnosti: prvič, genom vsakega virusa je zajet v beljakovinski plašč, in drugič, vsak virus za svoje razmnoževanje uporablja tuj gostiteljski organizem – pa naj bo to človek, pajek ali rastlina. Toda v tej splošni shemi obstaja nešteto različic.

Na primer, drobni cirkovirusi imajo le dva ali tri gene, medtem ko imajo masivni mimivirusi, ki so večji od nekaterih bakterij, na stotine genov.

Na primer, obstajajo bakteriofagi, ki so nekoliko podobni aparatu za pristanek na luni - ti bakteriofagi okužijo bakterije. In, seveda, danes vsi vedo za morilske krogle, posejane s trni, katerih podobe so zdaj boleče znane morda vsakemu človeku v kateri koli državi sveta. In virusi imajo tudi to lastnost: ena skupina virusov shranjuje svoj genom v obliki DNK, druga pa v obliki RNA.

Obstaja celo bakteriofag, ki uporablja alternativno genetsko abecedo, v kateri se dušikova baza A v kanoničnem sistemu ACGT nadomesti z drugo molekulo, označeno s črko Z [črka A pomeni dušikovo bazo "adenin", ki je del nukleinskega kisline (DNK in RNA); ACGT- dušikove baze, ki sestavljajo DNK, in sicer: A - adenin, C - citozin, G - gvanin, T - timin, - pribl. prev.].

Virusi so tako vseprisotni in radovedni, da se lahko pojavijo, tudi če jih znanstveniki ne iščejo. Tako na primer Frederik Schulz sploh ni nameraval preučevati virusov, njegovo področje znanstvenih raziskav je zaporedje genomov iz odpadne vode. Kot podiplomski študent na Univerzi na Dunaju je Schultz leta 2015 uporabil metagenomiko za iskanje bakterij. S tem pristopom znanstveniki izolirajo DNK iz vrste organizmov, jih zmeljejo na majhne koščke in zaporedijo. Nato računalniški program iz teh kosov sestavi posamezne genome. Ta postopek spominja na sestavljanje več sto ugank hkrati iz ločenih drobcev, pomešanih med seboj.

Med bakterijskimi genomi Schultz ni mogel kaj, da ne bi opazil ogromnega dela virusnega genoma (očitno zato, ker je ta del imel gene virusne ovojnice), ki je vključeval 1,57 milijona baznih parov. Ta virusni genom se je izkazal za velikana, bil je del skupine virusov, katerih člani so velikanski virusi tako po velikosti genoma kot v absolutnih dimenzijah (običajno 200 nanometrov ali več v premeru). Ta virus okuži amebe, alge in druge protozoje, s čimer vpliva na vodne ekosisteme in ekosisteme na kopnem.

Frederick Schultz, zdaj mikrobiolog na skupnem inštitutu za genome ameriškega ministrstva za energijo v Berkeleyju v Kaliforniji, se je odločil poiskati sorodne viruse v metagenomskih bazah podatkov. Leta 2020 so Schultz in njegovi sodelavci v svojem članku opisali več kot dva tisoč genomov iz skupine, ki vsebuje velikanske viruse. Spomnimo se, da je bilo prej v javno dostopne baze podatkov vključenih le 205 takih genomov.

Poleg tega so morali virologi pogledati tudi v človeško telo v iskanju novih vrst. Strokovnjak za virusno bioinformatiko Luis Camarillo-Guerrero je skupaj s kolegi iz inštituta Senger v Hinkstonu (Združeno kraljestvo) analiziral človeške črevesne metagenome in ustvaril bazo podatkov, ki vsebuje več kot 140.000 vrst bakteriofagov. Več kot polovica jih je bila znanosti neznana.

Skupna študija znanstvenikov, objavljena februarja, je sovpadla z ugotovitvami drugih znanstvenikov, da je ena najpogostejših skupin virusov, ki okužijo človeške črevesne bakterije, skupina, znana kot crAssphage (poimenovana po programu za navzkrižno sestavljanje, ki jo je odkril leta 2014).. Kljub obilici virusov, ki so zastopani v tej skupini, znanstveniki vedo malo o tem, kako virusi te skupine sodelujejo v človeškem mikrobiomu, pravi Camarillo-Guerrero, ki zdaj dela v podjetju Illumina za sekvenciranje DNK (Illumina se nahaja v Cambridgeu v Združenem kraljestvu).

Metagenomika je odkrila veliko virusov, hkrati pa metagenomika številne viruse ignorira. V tipičnih metagenomih virusi RNA niso sekvencirani, zato so jih mikrobiolog Colin Hill z Irske nacionalne univerze v Corku na Irskem in njegovi sodelavci iskali v bazah RNA, imenovanih metatranskripti.

Na te podatke se znanstveniki navadno sklicujejo pri preučevanju genov v populaciji, t.j. tisti geni, ki se aktivno pretvarjajo v sporočilno RNA [messenger RNA (ali mRNA) se imenuje tudi selska RNA (mRNA) – pribl. prev.] sodeluje pri proizvodnji beljakovin; vendar je tam mogoče najti tudi genome RNA virusov. Z uporabo računalniških tehnik za ekstrakcijo zaporedij iz podatkov je ekipa našla 1015 virusnih genomov v metatrankriptomih iz vzorcev mulja in vode. Zahvaljujoč delu znanstvenikov so se informacije o znanih virusih znatno povečale, potem ko se je pojavil samo en članek.

Zahvaljujoč tem metodam je mogoče po naključju zbrati genome, ki v naravi ne obstajajo, a da bi to preprečili, so se znanstveniki naučili uporabljati metode nadzora. Obstajajo pa tudi druge slabosti. Na primer, izredno težko je izolirati določene vrste virusov z veliko genetsko raznolikostjo, saj je računalniškim programom težko združiti različna genska zaporedja.

Alternativni pristop je sekvenciranje vsakega virusnega genoma posebej, kot to stori mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia z univerze v Alicanteju v Španiji. Po prehajanju morske vode skozi filtre je izoliral nekaj specifičnih virusov, pomnožil njihovo DNK in nadaljeval s sekvenciranjem.

Po prvem poskusu je našel 44 genomov. Izkazalo se je, da je eden od njih vrsta enega najpogostejših virusov, ki živijo v oceanu. Ta virus ima tako veliko genetsko raznolikost (tj. genetski fragmenti njegovih virusnih delcev so tako različni v različnih virusnih delcih), da se njegov genom nikoli ni pojavil v metagenomskih raziskavah. Znanstveniki so ga poimenovali "37-F6" zaradi njegove lokacije na laboratorijski posodi. Vendar se je Martinez-Garcia pošalil, glede na zmožnost genoma, da se skrije na očeh, bi moral biti poimenovan 007 po super agentu Jamesu Bondu.

Družinska drevesa virusov

Takšni oceanski virusi, tako skrivnostni, kot je James Bond, nimajo uradnega latinskega imena, tako kot večina od nekaj tisoč virusnih genomov, odkritih v zadnjem desetletju z uporabo metagenomike. Te genomske sekvence so za ICTV postavile težko vprašanje: Ali je en genom dovolj za poimenovanje virusa? Do leta 2016 je veljal naslednji vrstni red: če so znanstveniki predlagali kakršno koli novo vrsto virusa ali taksonomske skupine za ICTV, potem je bilo treba z redkimi izjemami v kulturi zagotoviti ne le ta virus, ampak tudi gostiteljski organizem. Toda leta 2016 so se po intenzivni razpravi virologi strinjali, da bi bil dovolj en genom.

Začele so prihajati aplikacije za nove viruse in skupine virusov. Toda evolucijski odnosi med temi virusi so včasih ostali nejasni. Virologi običajno razvrščajo viruse glede na njihovo obliko (na primer "dolgi", "tanki", "glava in rep") ali na podlagi njihovih genomov (DNK ali RNA, eno- ali dvoverižni), vendar nam te lastnosti povejo presenetljivo malo. o njihovem skupnem izvoru. Zdi se, da so na primer virusi z genomi z dvojno verigo DNK nastali v vsaj štirih različnih situacijah.

Prvotna klasifikacija virusov ICTV (kar pomeni, da drevo virusov in drevo celičnih življenjskih oblik obstajata ločeno) je vključevala le nižje korake evolucijske hierarhije, ki segajo od vrst in rodov do ravni, ki je v skladu z klasifikacija večceličnega življenja, je enakovredna primatom ali iglavcem. Ni bilo višjih stopenj evolucijske hierarhije virusov. Številne družine virusov so obstajale izolirano, brez povezav z drugimi vrstami virusov. Tako je ICTV leta 2018 dodal višje stopnje za razvrščanje virusov: razrede, vrste in področja.

Na sam vrh klasifikacije virusov ICTV postavlja skupine, imenovane »realms« (realms), ki so analogi »domen« za celične življenjske oblike (bakterije, arheje in evkarionte), t.j. ICTV je za razlikovanje med drevesoma uporabil drugo besedo. (Pred nekaj leti so nekateri znanstveniki predlagali, da bi nekateri virusi verjetno spadali v drevo celičnih življenjskih oblik; vendar ta ideja ni dobila širše odobritve.)

ICTV je orisal veje virusnega drevesa in dodelil RNA viruse regiji, imenovani Riboviria; mimogrede, del tega področja je virus SARS-CoV-2 in drugi koronavirusi, katerih genomi so enoverižne RNA. Toda potem je morala velika skupnost virologov predlagati dodatne taksonomske skupine. Tako se je zgodilo, da je evolucijski biolog Eugene Koonin iz Nacionalnega centra za biotehnološke informacije v Bethesdi v Marylandu zbral ekipo znanstvenikov, da bi pripravili prvi način za kategorizacijo virusov. V ta namen se je Kunin odločil analizirati vse virusne genome, pa tudi rezultate študij o virusnih beljakovinah.

Reorganizirali so regijo Riboviria in predlagali še tri kraljestva. O nekaterih podrobnostih so bile polemike, je dejal Kunin, vendar so leta 2020 člani ICTV brez večjih težav potrdili sistematizacijo. Po besedah Kunina sta leta 2021 dobila zeleno luč še dve kraljestvi, vendar bodo prvotna štiri verjetno ostala največja. Na koncu, pravi Kunin, bi lahko število področij doseglo celo 25.

Ta številka potrjuje sum številnih znanstvenikov: virusi nimajo skupnega prednika. "Za vse viruse ni enega samega prednika," pravi Kunin. "Preprosto ne obstaja." To pomeni, da so se virusi verjetno pojavili večkrat v zgodovini življenja na Zemlji. Tako nimamo razloga trditi, da se virusi ne morejo znova pojaviti. »V naravi se nenehno pojavljajo novi virusi,« pravi virolog Mart Krupovic z Instituta Pasteur v Parizu, ki je bil vključen tako pri odločanju ICTV kot pri raziskovalnem delu skupine Kunin o sistematizaciji.

Virologi imajo več hipotez o vzrokih za področja. Morda so področja nastala iz neodvisnih genetskih elementov ob zori življenja na planetu Zemlja, še preden so bile oblikovane celice. Ali pa so morda zapustili cele celice, "pobegnili" iz njih in opustili večino celičnih mehanizmov, da bi ohranili svoj obstoj na minimalni ravni. Kunin in Krupovich se zavzemata za hibridno hipotezo, po kateri so ti primarni genetski elementi "ukradli" genetski material iz celice, da bi zgradili virusne delce. Ker obstaja veliko hipotez o izvoru virusov, je povsem mogoče, da obstaja veliko načinov njihovega pojava, pravi virolog Jens Kuhn, ki je v odboru ICTV sodeloval pri predlogu za novo sistematizacijo virusov.

Kljub dejstvu, da sta virusna in celična drevesa različna, se njihove veje ne le dotikajo, temveč tudi izmenjujejo gene. Kam naj se torej razvrstijo virusi - žive ali nežive? Odgovor je odvisen od tega, kako definirate "živ". Mnogi znanstveniki ne menijo, da je virus živo bitje, drugi pa se ne strinjajo. "Navadno verjamem, da so živi," pravi bioinformatik Hiroyuki Ogata, ki raziskuje viruse na univerzi Kjoto na Japonskem. »Razvijajo se, imajo genski material iz DNK in RNA. In so zelo pomemben dejavnik v evoluciji vseh živih bitij."

Trenutna klasifikacija je splošno sprejeta in predstavlja prvi poskus posploševanja raznolikosti virusov, čeprav nekateri virologi menijo, da je nekoliko nenatančna. Ducat družin virusov še vedno nima povezave z nobenim kraljestvom. "Dobra novica je, da poskušamo v tej zmešnjavi urediti vsaj nekaj reda," dodaja mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

Spremenili so svet

Skupna masa virusov, ki živijo na Zemlji, je enaka 75 milijonom modrih kitov. Znanstveniki so prepričani, da virusi vplivajo na prehranjevalne mreže, ekosisteme in celo ozračje našega planeta. Po mnenju strokovnjaka za okoljsko virologijo Matthewa Sullivana z univerze Ohio State v Columbusu znanstveniki vse pogosteje odkrivajo nove vrste virusov, pri čemer raziskovalci "odkrivajo prej neznane načine, kako virusi neposredno vplivajo na ekosisteme." Znanstveniki poskušajo kvantificirati to izpostavljenost virusu.

"Trenutno nimamo preproste razlage za pojav, ki se dogaja," pravi Hiroyuki Ogata.

V svetovnih oceanih lahko virusi zapustijo svoje gostiteljske mikrobe in pri tem sproščajo ogljik, ki ga bodo reciklirala druga bitja, ki jedo notranjost teh gostiteljskih mikrobov, nato pa sproščajo ogljikov dioksid. Toda pred kratkim so znanstveniki prišli tudi do zaključka, da se počene celice pogosto zgrudijo in potopijo na dno svetovnih oceanov ter vežejo ogljik iz ozračja.

Taljenje permafrosta na kopnem je glavni vir nastajanja ogljika, je dejal Matthew Sullivan, in zdi se, da virusi pomagajo pri sproščanju ogljika iz mikroorganizmov v tem okolju. Leta 2018 je Sullivan in njegovi sodelavci opisali 1907 virusnih genomov in njihovih fragmentov, zbranih med odmrzovanjem permafrosta na Švedskem, vključno z geni za beljakovine, ki lahko nekako vplivajo na proces razpadanja ogljikovih spojin in morda na proces njihove preobrazbe v toplogredne pline..

Virusi lahko vplivajo tudi na druge organizme (na primer premešajo njihove genome). Na primer, virusi prenašajo gene za odpornost na antibiotike iz ene bakterije v drugo, sčasoma pa lahko prevladajo sevi, odporni na zdravila. Po mnenju Luisa Camarillo-Guerrera lahko takšen prenos genov sčasoma povzroči resne evolucijske premike v določeni populaciji – in ne le pri bakterijah. Tako je po nekaterih ocenah 8 % človeške DNK virusnega izvora. Tako so na primer iz virusa naši predniki sesalcev prejeli gen, potreben za razvoj posteljice.

Znanstveniki bodo potrebovali več kot le svoje genome, da bodo rešili številna vprašanja o obnašanju virusov. Prav tako je treba najti gostitelje virusa. V tem primeru je namig mogoče shraniti v samem virusu: virus lahko na primer vsebuje prepoznaven fragment gostiteljevega genskega materiala v lastnem genomu.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia in njegovi sodelavci so uporabili enocelično genomiko za identifikacijo mikrobov, ki vsebujejo nedavno odkrit virus 37-F6. Gostitelj tega virusa je bakterija Pelagibacter, ki je eden najbolj razširjenih in najrazličnejših morskih organizmov. V nekaterih regijah svetovnih oceanov Pelagibacter predstavlja skoraj polovico vseh celic, ki živijo v njegovih vodah. Če bi virus 37-F6 nenadoma izginil, nadaljuje Martinez-Garcia, bi bilo življenje vodnih organizmov močno moteno.

Znanstveniki morajo ugotoviti, kako spremeni svojega gostitelja, da bi dobili popolno sliko o vplivu določenega virusa, pojasnjuje evolucijska ekologinja Alexandra Worden iz Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) v Kielu v Nemčiji. Warden preučuje velikanske viruse, ki nosijo gene za fluorescentno beljakovino, imenovano rodopsin.

Načeloma so lahko ti geni uporabni tudi za gostiteljske organizme, na primer za namene prenosa energije ali signalov, vendar to dejstvo še ni potrjeno. Da bi ugotovila, kaj se zgodi z geni rodopsina, Alexandra Vorden načrtuje gojenje gostiteljskega organizma (gostitelja) skupaj z virusom, da bi preučila mehanizem delovanja tega para (gostitelj-virus), združenega v en sam kompleks. - "virocell".

"Šele prek celične biologije lahko ugotovite, kakšna je prava vloga tega pojava in kako natančno vpliva na ogljikov cikel," dodaja Warden.

Maya Brightbart na svojem domu na Floridi ni gojila virusov, izoliranih iz pajkov Gasteracantha cancriformis, vendar ji je uspelo izvedeti nekaj ali dve o njih. Dva prej neznana virusa, ki ju najdemo v teh pajkih, spadata v skupino, ki jo je Brightbart opisal kot "neverjetne" - in vse to zaradi njunih drobnih genomov: prvi kodira gen za beljakovinsko prevleko, drugi - gen za replikacijski protein.

Ker je eden od teh virusov prisoten le v telesu pajka, ne pa tudi v njegovih nogah, Brightbart meni, da je pravzaprav njegova funkcija okužiti plen, ki ga pajek kasneje poje. Drugi virus je mogoče najti na različnih delih pajkovega telesa – v sklopu jajčec in potomcev – zato Brightbart meni, da se ta virus prenaša s starša na potomce. Po mnenju Brightbarta je ta virus za pajka neškodljiv.

Tako je viruse "pravzaprav najlažje najti," pravi Maya Brightbart. Veliko težje je določiti mehanizem, s katerim virusi vplivajo na življenjski cikel in ekologijo gostiteljskega organizma. Toda najprej morajo virologi odgovoriti na eno najtežjih vprašanj, nas spominja Brightbart: "Kako vemo, katero naj raziskamo na začetku?"