Virologické objavy by mohli zmeniť biológiu

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Vírusy sú maličké, ale „neuveriteľne silné stvorenia“, bez ktorých by sme neprežili. Ich vplyv na našu planétu je nepopierateľný. Je ľahké ich nájsť, vedci pokračujú v identifikácii dovtedy neznámych typov vírusov. Ale koľko toho o nich vieme? Ako vieme, ktorý z nich máme preskúmať ako prvý?

Koronavírus SARS-CoV-2 je len jedným z niekoľkých miliónov vírusov, ktoré žijú na našej planéte. Vedci rýchlo identifikujú mnoho nových typov.

Maya Breitbart hľadala nové vírusy v afrických termitoch, antarktických tuleňoch a Červenom mori. Ako sa však ukázalo, aby naozaj niečo našla, musela sa pozrieť do svojej domácej záhrady na Floride. V okolí bazéna môžete nájsť pavúky druhu Gasteracantha cancriformis.

Majú jasnú farbu a zaoblené biele telá, na ktorých sú viditeľné čierne škvrny a šesť šarlátových tŕňov, podobne ako exotická zbraň zo stredoveku. Ale vnútri tiel týchto pavúkov čakalo Mayu Brightbartovú prekvapenie: keď Brightbart, expert na vírusovú ekológiu na University of South Florida v St.

Ako viete, od roku 2020 sme my, obyčajní ľudia, zaujatí iba jedným mimoriadne nebezpečným vírusom, ktorý je teraz všetkým známy, ale existuje mnoho ďalších vírusov, ktoré ešte neboli zistené. Podľa vedcov asi 10³¹rôznych vírusových častíc, čo je desaťmiliardkrát viac ako približný počet hviezd v pozorovateľnom vesmíre.

Teraz je jasné, že ekosystémy a jednotlivé organizmy závisia od vírusov. Vírusy sú maličké, ale neuveriteľne silné stvorenia, urýchlili evolučný vývoj v priebehu miliónov rokov, s ich pomocou sa uskutočnil prenos génov medzi hostiteľskými organizmami. Vírusy žijúce vo svetových oceánoch pitvali mikroorganizmy, ich obsah vyhadzovali do vodného prostredia a obohacovali potravinovú sieť živinami. „Bez vírusov by sme neprežili,“hovorí virológ Curtis Suttle z University of British Columbia v kanadskom Vancouveri.

Medzinárodný výbor pre taxonómiu vírusov (ICTV) zistil, že v súčasnosti existuje na svete 9 110 samostatných typov vírusov, ale je to zrejme len nepatrný zlomok z ich celkového počtu. Čiastočne je to spôsobené tým, že oficiálna klasifikácia vírusov v minulosti vyžadovala od vedcov kultiváciu vírusu v hostiteľskom organizme alebo jeho bunkách; tento proces je časovo náročný a niekedy sa zdá byť nereálne komplikovaný.

Druhým dôvodom je, že pri vedeckom výskume sa kládol dôraz na hľadanie tých vírusov, ktoré spôsobujú u ľudí alebo iných živých organizmov choroby, ktoré majú pre človeka určitú hodnotu, napríklad ide o hospodárske zvieratá a plodiny.

Napriek tomu, ako nám pripomenula pandémia covid-19, je dôležité študovať vírusy, ktoré sa môžu prenášať z jedného hostiteľského organizmu na druhý, a to je práve hrozba pre ľudí, ako aj pre domáce zvieratá či plodiny.

Za posledné desaťročie sa počet známych vírusov prudko zvýšil vďaka zlepšeniu technológie detekcie a tiež vďaka nedávnej zmene pravidiel identifikácie nových typov vírusov, ktorá umožnila detekovať vírusy bez toho, aby bolo potrebné ich kultivovať hostiteľský organizmus.

Jednou z najbežnejších metód je metagenomika. Umožňuje vedcom zbierať vzorky genómov z prostredia bez potreby ich kultivácie. Nové technológie, ako je sekvenovanie vírusov, pridali do zoznamu ďalšie názvy vírusov, vrátane niektorých, ktoré sú prekvapivo rozšírené, ale stále sú pred vedcami do značnej miery skryté.

„Teraz je skvelý čas urobiť tento druh výskumu,“hovorí Maya Brightbart. - Myslím si, že v mnohých ohľadoch je teraz čas na viróm [virom - súbor všetkých vírusov, ktoré sú charakteristické pre jednotlivý organizmus - približne Transl.]“.

Len v roku 2020 pridala ICTV na svoj oficiálny zoznam vírusov 1 044 nových druhov, pričom tisíce ďalších vírusov čakajú na popis a zatiaľ nie sú pomenované. Vznik takého veľkého množstva genómov podnietil virológov k prehodnoteniu spôsobu klasifikácie vírusov a pomohol objasniť proces ich evolúcie. Existuje presvedčivý dôkaz, že vírusy nepochádzajú z jedného zdroja, ale vyskytli sa viackrát.

Skutočná veľkosť globálnej vírusovej komunity je však do značnej miery neznáma, tvrdí virológ Jens Kuhn z amerického Národného inštitútu pre alergie a infekčné choroby (NIAID) vo Fort Detricku v štáte Maryland: „Naozaj netušíme, že sa to deje.“

Všade a všade

Každý vírus má dve vlastnosti: po prvé, genóm každého vírusu je uzavretý v proteínovom obale, a po druhé, každý vírus využíva cudzí hostiteľský organizmus – či už je to človek, pavúk alebo rastlina – na účely svojej reprodukcie. Ale v tejto všeobecnej schéme existuje nespočetné množstvo variácií.

Napríklad drobné cirkovírusy majú len dva alebo tri gény, zatiaľ čo masívne mimivírusy, ktoré sú väčšie ako niektoré baktérie, majú stovky génov.

Napríklad existujú bakteriofágy, ktoré sú trochu podobné prístrojom na pristátie na Mesiaci - tieto bakteriofágy infikujú baktérie. A, samozrejme, dnes každý vie o zabijáckych guliach posiatych tŕňmi, ktorých obrazy sú dnes bolestivo známe snáď každému človeku v ktorejkoľvek krajine sveta. A vírusy majú tiež túto vlastnosť: jedna skupina vírusov ukladá svoj genóm vo forme DNA, zatiaľ čo druhá - vo forme RNA.

Existuje dokonca bakteriofág využívajúci alternatívnu genetickú abecedu, v ktorej je dusíkatá báza A v kanonickom systéme ACGT nahradená inou molekulou označenou písmenom Z [písmeno A znamená dusíkatú bázu „adenín“, ktorá je súčasťou nukleovej kyseliny (DNA a RNA); ACGT- dusíkaté bázy, ktoré tvoria DNA, a to: A - adenín, C - cytozín, G - guanín, T - tymín, - cca. preklad.].

Vírusy sú také všadeprítomné a zvedavé, že sa môžu objaviť, aj keď ich vedci nehľadajú. Tak napríklad Frederik Schulz vôbec nemal v úmysle študovať vírusy, jeho oblasťou vedeckého výskumu je sekvencia genómov z odpadových vôd. Ako postgraduálny študent na Viedenskej univerzite použil Schultz v roku 2015 metagenomiku na nájdenie baktérií. Pomocou tohto prístupu vedci izolujú DNA z radu organizmov, rozdrvia ich na malé kúsky a sekvenujú. Potom počítačový program z týchto kúskov poskladá jednotlivé genómy. Tento postup pripomína skladanie niekoľkých stoviek hlavolamov naraz zo samostatných navzájom zmiešaných fragmentov.

Medzi bakteriálnymi genómami si Schultz nemohol nevšimnúť obrovský kus vírusového genómu (zrejme preto, že tento kus mal gény vírusového obalu), ktorý zahŕňal 1,57 milióna párov báz. Ukázalo sa, že tento vírusový genóm je obrovský, bol súčasťou skupiny vírusov, ktorých členmi sú obrovské vírusy tak vo veľkosti genómu, ako aj v absolútnych rozmeroch (zvyčajne 200 nanometrov alebo viac v priemere). Tento vírus infikuje améby, riasy a iné prvoky, čím ovplyvňuje vodné ekosystémy, ako aj ekosystémy na súši.

Frederick Schultz, teraz mikrobiológ na Spoločnom genómovom inštitúte Ministerstva energetiky USA v Berkeley v Kalifornii, sa rozhodol hľadať súvisiace vírusy v metagenomických databázach. V roku 2020 Schultz a jeho kolegovia vo svojom článku opísali viac ako dvetisíc genómov zo skupiny, ktorá obsahuje obrovské vírusy. Pripomeňme, že predtým bolo vo verejne dostupných databázach zahrnutých iba 205 takýchto genómov.

Okrem toho sa virológovia museli pri hľadaní nových druhov pozrieť aj do ľudského tela. Špecialista na vírusovú bioinformatiku Luis Camarillo-Guerrero spolu s kolegami zo Senger Institute v Hinkstone (Spojené kráľovstvo) analyzovali ľudské črevné metagenómy a vytvorili databázu obsahujúcu viac ako 140 000 druhov bakteriofágov. Viac ako polovica z nich bola pre vedu neznáma.

Spoločná štúdia vedcov, publikovaná vo februári, sa zhodovala so zisteniami iných vedcov, že jednou z najbežnejších skupín vírusov, ktoré infikujú ľudské črevné baktérie, je skupina známa ako crAssphage (pomenovaná podľa programu cross-assembler, ktorý ju objavil v roku 2014).. Napriek množstvu vírusov zastúpených v tejto skupine vedci vedia málo o tom, ako sa vírusy tejto skupiny podieľajú na ľudskom mikrobióme, hovorí Camarillo-Guerrero, ktorý teraz pracuje pre spoločnosť Illumina na sekvenovanie DNA (Illumina sa nachádza v Cambridge, Spojené kráľovstvo).

Metagenomika objavila mnoho vírusov, no zároveň metagenomika mnohé vírusy ignoruje. V typických metagenómoch nie sú RNA vírusy sekvenované, takže mikrobiológ Colin Hill z Írskej národnej univerzity v írskom Corku a jeho kolegovia ich hľadali v databázach RNA nazývaných metatranskripty.

Na tieto údaje sa vedci zvyčajne odvolávajú pri štúdiu génov v populácii, t.j. tie gény, ktoré sa aktívne premieňajú na messenger RNA [messenger RNA (alebo mRNA) sa nazýva aj messenger RNA (mRNA) - cca. preklad.] podieľajú sa na produkcii bielkovín; ale možno tam nájsť aj genómy RNA vírusov. Pomocou výpočtových techník na extrakciu sekvencií z údajov tím našiel 1 015 vírusových genómov v metatranskryptómoch zo vzoriek bahna a vody. Vďaka práci vedcov sa informácie o známych vírusoch výrazne zvýšili po tom, čo sa objavil iba jeden článok.

Vďaka týmto metódam je možné náhodne zozbierať genómy, ktoré v prírode neexistujú, no aby tomu zabránili, vedci sa naučili používať metódy kontroly. Ale sú tu aj iné slabiny. Napríklad je mimoriadne ťažké izolovať určité typy vírusov s veľkou genetickou rozmanitosťou, pretože pre počítačové programy je ťažké poskladať rôzne génové sekvencie.

Alternatívnym prístupom je sekvenovať každý vírusový genóm oddelene, ako to robí mikrobiológ Manuel Martinez-Garcia z University of Alicante v Španielsku. Po prechode morskou vodou cez filtre izoloval niektoré špecifické vírusy, amplifikoval ich DNA a pristúpil k sekvenovaniu.

Po prvom pokuse našiel 44 genómov. Ukázalo sa, že jeden z nich je typom jedného z najbežnejších vírusov žijúcich v oceáne. Tento vírus má takú veľkú genetickú diverzitu (t.j. genetické fragmenty jeho vírusových častíc sú v rôznych vírusových časticiach také odlišné), že sa jeho genóm nikdy neobjavil v metagenomickom výskume. Vedci ho nazvali „37-F6“kvôli jeho umiestneniu na laboratórnej miske. Martinez-Garcia však zavtipkoval, vzhľadom na schopnosť genómu skrývať sa pred očami ľudí by mal byť pomenovaný 007 po super agentovi Jamesovi Bondovi.

Rodokmene vírusov

Takéto oceánske vírusy, tajné ako James Bond, nemajú oficiálny latinský názov, rovnako ako väčšina z niekoľkých tisícok vírusových genómov objavených za posledné desaťročie pomocou metagenomiky. Tieto genómové sekvencie položili pre ICTV ťažkú otázku: Stačí jeden genóm na pomenovanie vírusu? Do roku 2016 existovalo nasledovné poradie: ak vedci navrhli akýkoľvek nový typ vírusu alebo taxonomickej skupiny pre ICTV, potom, až na zriedkavé výnimky, bolo potrebné zabezpečiť v kultúre nielen tento vírus, ale aj hostiteľský organizmus. V roku 2016 sa však po intenzívnych diskusiách virológovia zhodli, že jeden genóm bude stačiť.

Začali prichádzať aplikácie pre nové vírusy a skupiny vírusov. Evolučné vzťahy medzi týmito vírusmi však niekedy zostali nejasné. Virológovia zvyčajne klasifikujú vírusy na základe ich tvaru (napríklad "dlhý", "tenký", "hlava a chvost") alebo na základe genómu (DNA alebo RNA, jedno alebo dvojvláknové), ale tieto vlastnosti nám hovoria prekvapivo málo. o ich spoločnom pôvode. Napríklad sa zdá, že vírusy s genómami dvojvláknovej DNA vznikli najmenej v štyroch rôznych situáciách.

Počiatočná klasifikácia ICTV vírusov (čo znamená, že strom vírusov a strom bunkových foriem života existujú oddelene od seba) zahŕňala iba nižšie stupne evolučnej hierarchie, siahajúce od druhov a rodov až po úroveň, ktorá podľa klasifikácia mnohobunkového života, je ekvivalentná s primátmi alebo ihličnanmi. Neexistovali vyššie úrovne evolučnej hierarchie vírusov. A mnoho rodín vírusov existovalo izolovane, bez akéhokoľvek prepojenia s inými typmi vírusov. Takže v roku 2018 ICTV pridala vyššie úrovne rádov na klasifikáciu vírusov: triedy, typy a sféry.

Na samom vrchole klasifikácie vírusov ICTV umiestnili skupiny nazývané „realms“(realms), ktoré sú analógmi „domén“pre bunkové formy života (baktérie, archaea a eukaryoty), t.j. ICTV použila na rozlíšenie medzi týmito dvoma stromami iné slovo. (Pred niekoľkými rokmi niektorí vedci navrhli, že niektoré vírusy by pravdepodobne mohli zapadnúť do stromu bunkových foriem života; táto myšlienka však nezískala všeobecné schválenie.)

ICTV načrtla vetvy vírusového stromu a priradila RNA vírusy oblasti nazývanej Riboviria; mimochodom súčasťou tejto oblasti je vírus SARS-CoV-2 a ďalšie koronavírusy, ktorých genómy sú jednovláknové RNA. Potom však obrovská komunita virológov musela navrhnúť ďalšie taxonomické skupiny. Náhodou sa stalo, že evolučný biológ Eugene Koonin z Národného centra pre biotechnologické informácie v Bethesde v štáte Maryland zhromaždil tím vedcov, aby prišiel s prvým spôsobom kategorizácie vírusov. Za týmto účelom sa Kunin rozhodol analyzovať všetky vírusové genómy, ako aj výsledky štúdií o vírusových proteínoch.

Reorganizovali región Riboviria a navrhli ďalšie tri ríše. O niektorých detailoch sa viedli polemiky, povedal Kunin, ale v roku 2020 bola systematizácia schválená členmi ICTV bez väčších problémov. Ďalšie dve ríše dostali podľa Kunina zelenú v roku 2021, no pôvodné štyri pravdepodobne zostanú najväčšie. Nakoniec, Kunin navrhuje, počet sfér by mohol byť až 25.

Toto číslo potvrdzuje podozrenie mnohých vedcov: vírusy nemajú spoločného predka. "Neexistuje jediný predok pre všetky vírusy," hovorí Kunin. "To jednoducho neexistuje." To znamená, že vírusy sa pravdepodobne objavili niekoľkokrát počas histórie života na Zemi. Nemáme teda dôvod tvrdiť, že vírusy sa už nemôžu objaviť. "V prírode sa neustále objavujú nové vírusy," hovorí virológ Mart Krupovič z Inštitútu Pasteur v Paríži, ktorý sa podieľal na rozhodovaní ICTV aj na výskumnej práci skupiny Kunin v oblasti systematizácie.

Virológovia majú niekoľko hypotéz o príčinách ríš. Možno, že ríše vznikli z nezávislých genetických prvkov na úsvite života na planéte Zem, ešte pred vytvorením buniek. Alebo možno opustili celé bunky, „utiekli“z nich, pričom opustili väčšinu bunkových mechanizmov, aby si udržali svoju existenciu na minimálnej úrovni. Kunin a Krupovič sú za hybridnú hypotézu, podľa ktorej tieto primárne genetické prvky „ukradli“genetický materiál z bunky, aby vytvorili vírusové častice. Keďže existuje veľa hypotéz o pôvode vírusov, je dosť možné, že existuje veľa spôsobov ich vzhľadu, hovorí virológ Jens Kuhn, ktorý pracoval vo výbore ICTV na návrhu novej systematizácie vírusov.

Napriek tomu, že vírusové a bunkové stromy sú odlišné, ich vetvy sa nielen dotýkajú, ale aj vymieňajú gény. Kam teda zaradiť vírusy – živé alebo neživé? Odpoveď závisí od toho, ako definujete „živý“. Mnohí vedci nepovažujú vírus za živú bytosť, zatiaľ čo iní nesúhlasia. "Mám tendenciu veriť, že sú nažive," hovorí bioinformatický vedec Hiroyuki Ogata, ktorý skúma vírusy na Kjótskej univerzite v Japonsku. „Vyvíjajú sa, majú genetický materiál vyrobený z DNA a RNA. A sú veľmi dôležitým faktorom vo vývoji všetkých živých vecí."

Súčasná klasifikácia je široko akceptovaná a predstavuje prvý pokus o zovšeobecnenie rôznych vírusov, hoci niektorí virológovia sa domnievajú, že je do istej miery nepresná. Tucet vírusových rodín stále nemá spojenie so žiadnou ríšou. „Dobrou správou je, že sa snažíme v tomto neporiadku urobiť aspoň nejaký poriadok,“dodáva mikrobiológ Manuel Martinez-Garcia.

Zmenili svet

Celková masa vírusov žijúcich na Zemi sa rovná 75 miliónom modrých veľrýb. Vedci sú presvedčení, že vírusy ovplyvňujú potravinové siete, ekosystémy a dokonca aj atmosféru našej planéty. Podľa odborníka na environmentálnu virológiu Matthewa Sullivana z Ohio State University v Columbuse vedci čoraz častejšie objavujú nové typy vírusov, pričom výskumníci „objavujú dovtedy neznáme spôsoby, akými majú vírusy priamy vplyv na ekosystémy“. Vedci sa snažia kvantifikovať túto vírusovú expozíciu.

„Momentálne nemáme žiadne jednoduché vysvetlenie javov, ktoré sa dejú,“hovorí Hiroyuki Ogata.

Vo svetových oceánoch môžu vírusy opustiť svoje hostiteľské mikróby, pričom sa uvoľní uhlík, ktorý bude recyklovaný inými tvormi, ktoré požierajú vnútro týchto hostiteľských mikróbov a následne uvoľňujú oxid uhličitý. Nedávno však vedci prišli aj na to, že praskajúce bunky sa často zhlukujú a klesnú na dno svetových oceánov a viažu uhlík z atmosféry.

Topenie permafrostu na súši je hlavným zdrojom tvorby uhlíka, povedal Matthew Sullivan a zdá sa, že vírusy pomáhajú uvoľňovať uhlík z mikroorganizmov v tomto prostredí. V roku 2018 Sullivan a jeho kolegovia opísali 1 907 vírusových genómov a ich fragmentov zozbieraných počas rozmrazovania permafrostu vo Švédsku, vrátane génov pre proteíny, ktoré môžu nejakým spôsobom ovplyvniť proces rozpadu uhlíkatých zlúčenín a prípadne aj proces ich premeny na skleníkové plyny..

Vírusy môžu ovplyvňovať aj iné organizmy (napríklad premiešať ich genómy). Napríklad vírusy nesú gény pre rezistenciu na antibiotiká z jednej baktérie na druhú a nakoniec môžu prevládnuť kmene odolné voči liekom. Podľa Luisa Camarilla-Guerrera môže časom takýto prenos génov spôsobiť vážne evolučné posuny v konkrétnej populácii – a to nielen v baktériách. Podľa niektorých odhadov je teda 8 % ľudskej DNA vírusového pôvodu. Takže napríklad z vírusu dostali naši predkovia z cicavcov gén potrebný na vývoj placenty.

Na vyriešenie mnohých otázok o správaní vírusov budú vedci potrebovať viac než len svoje genómy. Je tiež potrebné nájsť hostiteľov vírusu. V tomto prípade môže byť stopa uložená v samotnom víruse: vírus môže napríklad vo svojom vlastnom genóme obsahovať rozoznateľný fragment genetického materiálu hostiteľa.

Mikrobiológ Manuel Martinez-Garcia a jeho kolegovia použili jednobunkovú genomiku na identifikáciu mikróbov obsahujúcich nedávno objavený vírus 37-F6. Hostiteľským organizmom tohto vírusu je baktéria Pelagibacter, ktorá patrí medzi najrozšírenejšie a najrozmanitejšie morské organizmy. V niektorých oblastiach svetových oceánov tvorí pelagibakter takmer polovicu všetkých buniek, ktoré žijú v jeho vodách. Ak by náhle zmizol vírus 37-F6, pokračuje Martinez-Garcia, život vodných organizmov by bol vážne narušený.

Vedci musia zistiť, ako mení svojho hostiteľa, aby získali úplný obraz o vplyve konkrétneho vírusu, vysvetľuje evolučná ekologička Alexandra Worden z Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) v Kieli v Nemecku. Warden študuje obrovské vírusy, ktoré nesú gény pre fluorescenčný proteín nazývaný rodopsín.

V zásade môžu byť tieto gény užitočné aj pre hostiteľské organizmy, napríklad na účely prenosu energie alebo prenosu signálov, ale táto skutočnosť ešte nebola potvrdená. S cieľom zistiť, čo sa deje s génmi rodopsínu, plánuje Alexandra Vorden kultivovať hostiteľský organizmus (hostiteľ) spolu s vírusom, aby mohla študovať mechanizmus fungovania tohto páru (hostiteľ-vírus), zjednoteného do jedného komplexu. - "virocell".

„Len prostredníctvom bunkovej biológie môžete povedať, aká je skutočná úloha tohto javu a ako presne ovplyvňuje uhlíkový cyklus,“dodáva Warden.

Maya Brightbart vo svojom dome na Floride nekultivovala vírusy izolované od pavúkov Gasteracantha cancriformis, ale podarilo sa jej o nich niečo dozvedieť. Dva dovtedy neznáme vírusy nájdené v týchto pavúkoch patria do skupiny, ktorú Brightbart opísal ako „úžasné“– a to všetko kvôli ich drobným genómom: prvý kóduje gén pre proteínový obal, druhý – gén pre replikačný proteín.

Keďže jeden z týchto vírusov je prítomný iba v tele pavúka, ale nie v jeho nohách, Brightbart verí, že jeho funkciou je v skutočnosti infikovať korisť, ktorú pavúk následne zožerie. Druhý vírus možno nájsť v rôznych oblastiach tela pavúka - v znáške vajíčok a potomstva - takže Brightbart verí, že tento vírus sa prenáša z rodiča na potomka. Podľa Brightbarta je tento vírus pre pavúka neškodný.

Vírusy sa teda „v skutočnosti dajú najľahšie nájsť,“hovorí Maya Brightbart. Oveľa ťažšie je určiť mechanizmus, akým vírusy ovplyvňujú životný cyklus a ekológiu hostiteľského organizmu. Najprv však musia virológovia odpovedať na jednu z najťažších otázok, pripomína nám Brightbart: „Ako vieme, ktorú z nich máme na začiatku skúmať?“