Descoperirile virologiei ar putea schimba biologia

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Virușii sunt mici, dar „creaturi incredibil de puternice” fără de care nu am supraviețui. Influența lor asupra planetei noastre este incontestabilă. Este ușor să le găsești, oamenii de știință continuă să identifice tipuri de viruși necunoscute anterior. Dar cât de multe știm despre ei? Cum știm pe care să investigăm mai întâi?

Coronavirusul SARS-CoV-2 este doar unul dintre câteva milioane de viruși care trăiesc pe planeta noastră. Oamenii de știință identifică rapid multe tipuri noi.

Maya Breitbart a căutat noi viruși în termitele africane, focile antarctice și Marea Roșie. Dar, după cum s-a dovedit, pentru a găsi cu adevărat ceva, a trebuit doar să se uite în grădina ei din Florida. Acolo, în jurul piscinei, puteți găsi păianjeni din pânza orb din specia Gasteracantha cancriformis.

Au o culoare strălucitoare și corpuri albe rotunjite, pe care se observă pete negre și șase spini stacojii, asemănătoare cu o armă ciudată din Evul Mediu. Dar în corpurile acestor păianjeni, Maya Brightbart a avut o surpriză: când Brightbart, un expert în ecologie virală la Universitatea din Florida de Sud din St. necunoscut științei.

După cum știți, din 2020, noi, oamenii obișnuiți, suntem preocupați de un singur virus deosebit de periculos cunoscut de toți acum, dar există mulți alți viruși care nu au fost încă detectați. Potrivit oamenilor de știință, aproximativ 10³¹diferite particule virale, care este de zece miliarde de ori numărul aproximativ de stele din universul observabil.

Acum este clar că ecosistemele și organismele individuale depind de viruși. Virușii sunt creaturi minuscule, dar incredibil de puternice, au accelerat dezvoltarea evolutivă de-a lungul a milioane de ani, cu ajutorul lor, a fost efectuat transferul de gene între organismele gazdă. Trăind în oceanele lumii, virușii au disecat microorganismele, aruncând conținutul acestora în mediul acvatic și îmbogățind rețeaua trofică cu nutrienți. „Nu am fi supraviețuit fără viruși”, spune virologul Curtis Suttle de la Universitatea British Columbia din Vancouver, Canada.

Comitetul Internațional pentru Taxonomia Virușilor (ICTV) a constatat că în prezent există 9.110 tipuri separate de viruși în lume, dar aceasta este, evident, o mică parte din totalul lor. Acest lucru se datorează parțial faptului că clasificarea oficială a virusurilor în trecut a impus oamenilor de știință să cultive virusul în organismul gazdă sau în celulele acestuia; acest proces necesită timp și uneori pare nerealist de complicat.

Al doilea motiv este că, în cursul cercetării științifice, s-a pus accentul pe găsirea acelor viruși care provoacă boli la oameni sau la alte organisme vii care au o anumită valoare pentru oameni, de exemplu, se referă la animalele de fermă și la culturi.

Cu toate acestea, așa cum ne-a reamintit pandemia de covid-19, este important să studiem virusurile care pot fi transmise de la un organism gazdă la altul și tocmai aceasta este amenințarea pentru oameni, precum și pentru animalele domestice sau culturile.

În ultimul deceniu, numărul de viruși cunoscuți a crescut vertiginos datorită îmbunătățirilor aduse tehnologiei de detectare și, de asemenea, datorită unei modificări recente a regulilor de identificare a noilor tipuri de viruși, care a făcut posibilă detectarea virușilor fără a fi nevoie de cultivarea acestora cu un organism gazdă.

Una dintre cele mai comune metode este metagenomica. Le permite oamenilor de știință să colecteze mostre de genom din mediu fără a fi nevoie să le cultive. Noile tehnologii, cum ar fi secvențierea virușilor, au adăugat mai multe nume de viruși pe listă, inclusiv unele care sunt surprinzător de răspândite, dar încă ascunse în mare măsură oamenilor de știință.

„Acum este un moment grozav pentru a face acest tip de cercetare”, spune Maya Brightbart. - Cred că în multe privințe acum este momentul viromului [virome - colecția tuturor virusurilor care sunt caracteristice unui organism individual - aprox.] ".

Numai în 2020, ICTV a adăugat 1.044 de specii noi pe lista sa oficială de virusuri, cu încă mii de viruși care așteptau descriere și până acum fără nume. Apariția unei varietăți atât de mari de genomi i-a determinat pe virologii să regândească modul în care sunt clasificați virușii și a ajutat la clarificarea procesului de evoluție a acestora. Există dovezi puternice că virușii nu provin dintr-o singură sursă, ci au apărut de mai multe ori.

Cu toate acestea, dimensiunea reală a comunității virale globale este în mare parte necunoscută, potrivit virologului Jens Kuhn de la Institutul Național de Alergie și Boli Infecțioase din SUA (NIAID) din Fort Detrick, Maryland: „Nu avem nicio idee că se întâmplă”.

Peste tot și peste tot

Orice virus are două proprietăți: în primul rând, genomul fiecărui virus este închis într-un înveliș proteic și, în al doilea rând, fiecare virus folosește un organism gazdă străin - fie că este un om, un păianjen sau o plantă - în scopul reproducerii sale. Dar există nenumărate variații în această schemă generală.

De exemplu, circovirusurile mici au doar două sau trei gene, în timp ce mimivirusurile masive, care sunt mai mari decât unele bacterii, au sute de gene.

De exemplu, există bacteriofagi care seamănă oarecum cu aparatul de aterizare pe Lună - acești bacteriofagi infectează bacteriile. Și, desigur, în zilele noastre toată lumea știe despre mingile ucigașe împânzite cu spini, ale căror imagini sunt acum dureros de familiare, probabil, pentru fiecare persoană din orice țară a lumii. Și virușii au și această caracteristică: un grup de viruși își stochează genomul sub formă de ADN, în timp ce celălalt - sub formă de ARN.

Există chiar și un bacteriofag care folosește un alfabet genetic alternativ, în care baza azotată A din sistemul canonic ACGT este înlocuită cu o altă moleculă desemnată cu litera Z [litera A reprezintă baza azotată „adenină”, care face parte din nucleul nucleic. acizi (ADN și ARN); ACGT- bazele azotate care alcătuiesc ADN-ul și anume: A - adenina, C - citozina, G - guanina, T - timina, - cca. transl.].

Virușii sunt atât de omniprezenti și năzuitori încât pot apărea chiar dacă oamenii de știință nu îi caută. Deci, de exemplu, Frederik Schulz nu a intenționat deloc să studieze virușii, zona sa de cercetare științifică este secvența genomilor din apele uzate. În calitate de student absolvent la Universitatea din Viena, Schultz a folosit metagenomica pentru a găsi bacterii în 2015. Cu această abordare, oamenii de știință izolează ADN-ul dintr-o serie de organisme, le macină în bucăți mici și le ordonează. Apoi, un program de calculator asamblează genomi individuali din aceste piese. Această procedură amintește de asamblarea câtorva sute de puzzle-uri simultan din fragmente separate amestecate între ele.

Printre genomii bacterieni, Schultz nu s-a putut abține să nu observe o bucată uriașă a genomului viral (aparent pentru că această bucată avea gene de anvelopă virală), care includea 1,57 milioane de perechi de baze. Acest genom viral s-a dovedit a fi un gigant, făcea parte dintr-un grup de viruși, ai căror membri sunt viruși giganți atât în dimensiunea genomului, cât și în dimensiuni absolute (de obicei, 200 de nanometri sau mai mult în diametru). Acest virus infectează amibe, alge și alte protozoare, afectând astfel ecosistemele acvatice, precum și ecosistemele de pe uscat.

Frederick Schultz, acum microbiolog la Institutul Comun al Genomului al Departamentului Energiei din Berkeley, California, a decis să caute viruși înrudiți în bazele de date metagenomice. În 2020, în articolul lor, Schultz și colegii săi au descris peste două mii de genomi din grupul care conține viruși giganți. Amintiți-vă că anterior, doar 205 de astfel de genomi au fost incluse în bazele de date disponibile public.

În plus, virologii au trebuit să caute și în interiorul corpului uman în căutarea unor noi specii. Specialistul în bioinformatică virală Luis Camarillo-Guerrero, împreună cu colegii de la Institutul Senger din Hinkston (Marea Britanie), au analizat metagenomul intestinal uman și au creat o bază de date care conține peste 140.000 de specii de bacteriofagi. Mai mult de jumătate dintre ei erau necunoscute științei.

„Studiul comun al oamenilor de știință, publicat în februarie, a coincis cu descoperirile altor oameni de știință conform cărora unul dintre cele mai comune grupuri de viruși care infectează bacteriile intestinale umane este un grup cunoscut sub numele de crAssphage (numit după programul de asamblare încrucișată care l-a descoperit în 2014).. În ciuda abundenței de viruși reprezentați în acest grup, oamenii de știință știu puține despre modul în care virușii acestui grup participă la microbiomul uman, spune Camarillo-Guerrero, care lucrează acum pentru compania de secvențiere ADN Illumina (Illumina este situată în Cambridge, Marea Britanie).

Metagenomica a descoperit mulți viruși, dar în același timp, metagenomica ignoră mulți viruși. În metagenoamele tipice, virusurile ARN nu sunt secvențiate, așa că microbiologul Colin Hill de la Universitatea Națională Irlandeză din Cork, Irlanda, și colegii săi i-au căutat în bazele de date ARN numite metatranscrieri.

Oamenii de știință se referă de obicei la aceste date atunci când studiază genele dintr-o populație, de exemplu. acele gene care sunt transformate activ în ARN mesager [ARN mesager (sau ARNm) se mai numește și ARN mesager (ARNm) - aprox. transl.] implicat în producerea de proteine; dar genomul virusurilor ARN poate fi găsit și acolo. Folosind tehnici de calcul pentru a extrage secvențe din date, echipa a găsit 1.015 genomi virali în metatrancriptomi din probele de nămol și apă. Datorită muncii oamenilor de știință, informațiile despre virușii cunoscuți au crescut semnificativ după ce a apărut un singur articol.

Datorită acestor metode, este posibil să se colecteze accidental genomuri care nu există în natură, dar pentru a preveni acest lucru, oamenii de știință au învățat să folosească metode de control. Dar există și alte slăbiciuni. De exemplu, este extrem de dificil să izolați anumite tipuri de viruși cu o mare diversitate genetică, deoarece este dificil pentru programele de calculator să reunească secvențe de gene disparate.

O abordare alternativă este secvențarea fiecărui genom viral separat, așa cum face microbiologul Manuel Martinez-Garcia de la Universitatea din Alicante din Spania. După ce a trecut apa de mare prin filtre, a izolat niște viruși specifici, le-a amplificat ADN-ul și a trecut la secvențiere.

După prima încercare, a găsit 44 de genomi. S-a dovedit că unul dintre ei este un tip de unul dintre cele mai comune viruși care trăiesc în ocean. Acest virus are o diversitate genetică atât de mare (adică, fragmentele genetice ale particulelor sale virale sunt atât de diferite în diferite particule virale) încât genomul său nu a apărut niciodată în cercetarea metagenomică. Oamenii de știință l-au numit „37-F6” datorită poziționării sale pe un recipient de laborator. Cu toate acestea, a glumit Martinez-Garcia, având în vedere capacitatea genomului de a se ascunde la vedere, ar fi trebuit să fie numit 007 după super agentul James Bond.

Arborele genealogic al virușilor

Astfel de viruși oceanici, la fel de secreti precum James Bond, nu au un nume latin oficial, la fel ca majoritatea celor câteva mii de genomi virali descoperite în ultimul deceniu folosind metagenomica. Aceste secvențe genomice au pus o întrebare dificilă pentru ICTV: este suficient un genom pentru a numi virusul? Până în 2016, a existat următoarea ordine: dacă oamenii de știință au propus orice tip nou de virus sau grup taxonomic pentru ICTV, atunci, cu rare excepții, era necesar să se furnizeze în cultură nu numai acest virus, ci și organismul gazdă. Dar în 2016, după dezbateri intense, virologii au convenit că un singur genom ar fi suficient.

Au început să sosească aplicații pentru noi viruși și grupuri de viruși. Dar relațiile evolutive dintre acești viruși au rămas uneori neclare. Virologii clasifică de obicei virusurile în funcție de forma lor (de exemplu, „lungi”, „subțiri”, „cap și coadă”) sau pe baza genomului lor (ADN sau ARN, monocatenar sau dublu), dar aceste proprietăți ne spun surprinzător de puține lucruri. despre originea lor comună. De exemplu, virusurile cu genomi ADN dublu catenar par să fi avut originea în cel puțin patru situații diferite.

Clasificarea inițială a virusurilor ICTV (care presupune că arborele virușilor și arborele formelor de viață celulară există separat unul de celălalt) a inclus doar treptele inferioare ale ierarhiei evolutive, mergând de la specii și genuri până la nivelul care, potrivit clasificarea vieții multicelulare, este echivalentă cu primate sau conifere. Nu existau niveluri superioare ale ierarhiei evolutive a virusurilor. Și multe familii de viruși au existat izolat, fără nicio legătură cu alte tipuri de viruși. Așadar, în 2018, ICTV a adăugat niveluri de ordine mai înalte pentru a clasifica virușii: clase, tipuri și tărâmuri.

În fruntea clasificării virușilor ICTV a pus grupuri numite „tărâmuri” (tărâmuri), care sunt analogi ale „domeniilor” pentru formele de viață celulară (bacterii, arhee și eucariote), adică. ICTV a folosit un cuvânt diferit pentru a face distincția între cei doi copaci. (Cu câțiva ani în urmă, unii oameni de știință au sugerat că unii viruși s-ar putea încadra probabil în arborele formelor de viață celulare; dar această idee nu a primit aprobare pe scară largă.)

ICTV a subliniat ramurile arborelui viral și a atribuit virușii ARN unei regiuni numite Riboviria; apropo, o parte din această zonă este virusul SARS-CoV-2 și alte coronavirusuri, ale căror genomi sunt ARN-uri monocatenar. Dar apoi vasta comunitate de virologi a trebuit să propună grupuri taxonomice suplimentare. Se întâmplă că biologul evoluționist Eugene Koonin de la Centrul Național pentru Informații Biotehnologice din Bethesda, Maryland, a adunat o echipă de oameni de știință pentru a găsi o primă modalitate de a clasifica virusurile. În acest scop, Kunin a decis să analizeze toate genomurile virale, precum și rezultatele studiilor asupra proteinelor virale.

Au reorganizat regiunea Riboviria și au propus încă trei tărâmuri. Au existat controverse cu privire la unele detalii, a spus Kunin, dar în 2020 sistematizarea a fost aprobată de membrii ICTV fără prea multe dificultăți. Încă două tărâmuri au primit undă verde în 2021, potrivit lui Kunin, dar cele patru inițiale vor rămâne probabil cele mai mari. În cele din urmă, sugerează Kunin, numărul de tărâmuri ar putea ajunge până la 25.

Acest număr confirmă suspiciunea multor oameni de știință: virușii nu au un strămoș comun. „Nu există un singur progenitor pentru toți virusurile”, spune Kunin. „Doar că nu există”. Aceasta înseamnă că virușii au apărut probabil de mai multe ori de-a lungul istoriei vieții pe Pământ. Astfel, nu avem niciun motiv să spunem că virușii nu pot apărea din nou. „Viruși noi apar în mod constant în natură”, spune virologul Mart Krupovic de la Institut Pasteur din Paris, care a fost implicat atât în procesul decizional al ICTV, cât și în activitatea de cercetare a grupului Kunin privind sistematizarea.

Virologii au mai multe ipoteze despre cauzele tărâmurilor. Poate că tărâmurile au provenit din elemente genetice independente în zorii vieții pe planeta Pământ, chiar înainte ca celulele să se formeze. Sau poate au părăsit celule întregi, au „scăpat” din ele, abandonând majoritatea mecanismelor celulare pentru a-și menține existența la un nivel minim. Kunin și Krupovici sunt în favoarea ipotezei hibride, conform căreia aceste elemente genetice primare au „furat” materialul genetic din celulă pentru a construi particule virale. Întrucât există multe ipoteze despre originea virușilor, este foarte posibil să existe mai multe moduri de apariție a acestora, spune virologul Jens Kuhn, care a lucrat în cadrul comitetului ICTV la o propunere pentru o nouă sistematizare a virusurilor.

În ciuda faptului că arborii virali și celulari sunt diferiți, ramurile lor nu numai că ating, ci și schimbă gene. Deci, unde ar trebui să fie clasificați virușii - animați sau neînsuflețiți? Răspunsul depinde de modul în care definiți „viu”. Mulți oameni de știință nu consideră virusul o ființă vie, în timp ce alții nu sunt de acord. „Am tendința să cred că sunt în viață”, spune cercetătorul în bioinformatică Hiroyuki Ogata, care cercetează viruși la Universitatea Kyoto din Japonia. „Ele evoluează, au material genetic format din ADN și ARN. Și sunt un factor foarte important în evoluția tuturor viețuitoarelor.”

Clasificarea actuală este larg acceptată și reprezintă prima încercare de generalizare a varietății de virusuri, deși unii virologi consideră că este oarecum imprecisă. O duzină de familii de viruși încă nu au nicio legătură cu niciun tărâm. „Vestea bună este că încercăm să punem măcar ordine în această mizerie”, adaugă microbiologul Manuel Martinez-Garcia.

Au schimbat lumea

Masa totală de viruși care trăiesc pe Pământ este echivalentă cu 75 de milioane de balene albastre. Oamenii de știință sunt încrezători că virușii afectează rețelele trofice, ecosistemele și chiar atmosfera planetei noastre. Potrivit specialistului în virologie de mediu Matthew Sullivan de la Ohio State University din Columbus, oamenii de știință descoperă din ce în ce mai multe noi tipuri de viruși, cercetătorii „descoperind moduri necunoscute până acum în care virușii au un impact direct asupra ecosistemelor”. Oamenii de știință încearcă să cuantifice această expunere virală.

„În momentul de față nu avem o explicație simplă pentru fenomenele care au loc”, spune Hiroyuki Ogata.

În oceanele lumii, virușii își pot părăsi microbii gazdă, eliberând carbon, care va fi reciclat de alte creaturi care mănâncă interiorul acestor microbi gazdă și apoi eliberează dioxid de carbon. Dar, mai recent, oamenii de știință au ajuns și la concluzia că celulele care izbucnesc adesea se adună și se scufundă pe fundul oceanelor lumii, legând carbonul din atmosferă.

Topirea permafrostului pe uscat este principala sursă de generare de carbon, a spus Matthew Sullivan, iar virușii par să ajute la eliberarea carbonului din microorganismele din acest mediu. În 2018, Sullivan și colegii săi au descris 1.907 genomi virali și fragmentele acestora colectate în timpul dezghețului permafrostului din Suedia, inclusiv gene pentru proteine care pot influența cumva procesul de degradare a compușilor de carbon și, eventual, procesul de transformare a acestora în gaze cu efect de seră..

Virușii pot influența și alte organisme (de exemplu, amestecați-le genomul). De exemplu, virusurile transportă gene pentru rezistența la antibiotice de la o bacterie la alta, iar tulpinile rezistente la medicamente pot predomina în cele din urmă. Potrivit lui Luis Camarillo-Guerrero, de-a lungul timpului, un astfel de transfer de gene poate provoca schimbări evolutive grave la o anumită populație - și nu numai la bacterii. Astfel, conform unor estimări, 8% din ADN-ul uman este de origine virală. Deci, de exemplu, de la virus strămoșii noștri mamifere au primit gena necesară dezvoltării placentei.

Oamenii de știință vor avea nevoie de mai mult decât genomurile lor pentru a rezolva multe dintre întrebările legate de comportamentul virușilor. De asemenea, este necesar să găsiți gazdele virusului. În acest caz, indiciul poate fi stocat în virusul însuși: virusul, de exemplu, poate conține un fragment recunoscut din materialul genetic al gazdei în propriul genom.

Microbiologul Manuel Martinez-Garcia și colegii săi au folosit genomica unicelulară pentru a identifica microbii care conțin virusul 37-F6 recent descoperit. Organismul gazdă al acestui virus este bacteria Pelagibacter, care este unul dintre cele mai răspândite și diverse organisme marine. În unele regiuni ale oceanelor lumii, Pelagibacter reprezintă aproape jumătate din toate celulele care trăiesc în apele sale. Dacă virusul 37-F6 ar dispărea brusc, continuă Martinez-Garcia, viața organismelor acvatice ar fi grav perturbată.

Oamenii de știință trebuie să descopere cum își schimbă gazda pentru a obține o imagine completă a impactului unui anumit virus, explică ecologistul evoluționist Alexandra Worden de la Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) din Kiel, Germania. Warden studiază virușii giganți care poartă gene pentru o proteină fluorescentă numită rodopsina.

În principiu, aceste gene pot fi utile și pentru organismele gazdă, de exemplu, în scopuri precum transferul de energie sau transmiterea de semnale, dar acest fapt nu a fost încă confirmat. Pentru a afla ce se întâmplă cu genele rodopsinei, Alexandra Vorden plănuiește să cultive organismul gazdă (gazdă) împreună cu virusul pentru a studia mecanismul de funcționare a acestei perechi (gazdă-virus), unită într-un singur complex. - „virocell”.

„Numai prin biologia celulară puteți spune care este adevăratul rol al acestui fenomen și exact cum afectează ciclul carbonului”, adaugă Warden.

La casa ei din Florida, Maya Brightbart nu a cultivat viruși izolați de la păianjenii Gasteracantha cancriformis, dar a reușit să învețe ceva despre ei. Cei doi virusi necunoscuti anterior gasiti in acesti paianjeni apartin grupului pe care Brightbart l-a descris ca fiind "uimitor" - si totul datorita genomului lor minuscul: primul codifica gena pentru invelisul proteic, al doilea - gena pentru proteina de replicare.

Întrucât unul dintre acești viruși este prezent doar în corpul păianjenului, dar nu și în picioarele acestuia, Brightbart consideră că, de fapt, funcția sa este de a infecta prada, care este ulterior mâncată de păianjen. Al doilea virus poate fi găsit în diferite zone ale corpului păianjenului - în gheața de ouă și descendenți - așa că Brightbart crede că acest virus se transmite de la părinte la urmași. Potrivit Brightbart, acest virus este inofensiv pentru păianjen.

Deci, virușii sunt „de fapt cei mai ușor de găsit”, spune Maya Brightbart. Este mult mai dificil de determinat mecanismul prin care virușii afectează ciclul de viață și ecologia organismului gazdă. Dar mai întâi, virologii trebuie să răspundă la una dintre cele mai dificile întrebări, ne amintește Brightbart: „De unde știm pe care să o investigăm de la început?”