Virologifunn kan endre biologien

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Virus er bittesmå, men "utrolig kraftige skapninger" uten som vi ikke ville overleve. Deres innflytelse på planeten vår er ubestridelig. Det er lett å finne dem, forskere fortsetter å identifisere tidligere ukjente typer virus. Men hvor mye vet vi om dem? Hvordan vet vi hvilken vi skal undersøke først?

SARS-CoV-2-koronaviruset er bare ett av flere millioner virus som lever på planeten vår. Forskere identifiserer raskt mange nye typer.

Maya Breitbart har lett etter nye virus i afrikanske termitthauger, antarktiske sel og Rødehavet. Men, som det viste seg, for virkelig å finne noe, måtte hun bare se inn i hjemmehagen sin i Florida. Der, rundt bassenget, kan du finne orb-web edderkopper av arten Gasteracantha cancriformis.

De har en lys farge og avrundede hvite kropper, på hvilke svarte flekker og seks skarlagenrøde torner er merkbare, som ligner på et merkelig våpen fra middelalderen. Men inne i kroppene til disse edderkoppene fikk Maya Brightbart en overraskelse: da Brightbart, en ekspert på viral økologi ved University of South Florida i St. ukjent for vitenskapen.

Som du vet, siden 2020, har vi, vanlige mennesker, vært opptatt av bare ett spesielt farlig virus kjent for alle nå, men det er mange andre virus som ennå ikke er oppdaget. Ifølge forskere, rundt 10³¹forskjellige viruspartikler, som er ti milliarder ganger det omtrentlige antallet stjerner i det observerbare universet.

Det er nå klart at økosystemer og individuelle organismer er avhengige av virus. Virus er bittesmå, men utrolig kraftige skapninger, de akselererte evolusjonsutviklingen over millioner av år, med deres hjelp ble overføringen av gener mellom vertsorganismer utført. Ved å leve i verdenshavene dissekerte virus mikroorganismer, kastet innholdet ut i vannmiljøet og beriket næringsnettet med næringsstoffer. "Vi ville ikke ha overlevd uten virus," sier virolog Curtis Suttle ved University of British Columbia i Vancouver, Canada.

Den internasjonale komiteen for taksonomi av virus (ICTV) fant at det for øyeblikket er 9 110 forskjellige typer virus i verden, men dette er åpenbart en liten brøkdel av deres totale. Dette skyldes delvis det faktum at den offisielle klassifiseringen av virus tidligere krevde at forskere skulle dyrke viruset i vertsorganismen eller dens celler; denne prosessen er tidkrevende og virker noen ganger urealistisk komplisert.

Den andre grunnen er at det i løpet av vitenskapelig forskning ble lagt vekt på å finne de virus som forårsaker sykdommer hos mennesker eller i andre levende organismer som har en viss verdi for mennesker, for eksempel gjelder det husdyr og avlinger.

Likevel, som covid-19-pandemien minnet oss om, er det viktig å studere virus som kan overføres fra en vertsorganisme til en annen, og dette er nettopp trusselen mot mennesker, så vel som for husdyr eller avlinger.

I løpet av det siste tiåret har antallet kjente virus skutt i været på grunn av forbedringer innen deteksjonsteknologi, og også på grunn av en nylig endring i reglene for identifisering av nye typer virus, som gjorde det mulig å oppdage virus uten behov for å dyrke dem med en vertsorganisme.

En av de vanligste metodene er metagenomikk. Det lar forskere samle prøver av genomer fra miljøet uten å måtte dyrke dem. Nye teknologier som virussekvensering har lagt til flere virusnavn til listen, inkludert noen som er overraskende utbredt, men som fortsatt i stor grad er skjult for forskere.

"Nå er en flott tid å gjøre denne typen forskning," sier Maya Brightbart. - Jeg tror at det på mange måter nå er tiden for virome [virome - samlingen av alle virus som er karakteristiske for en enkelt organisme - ca Transl.] ".

Bare i 2020 la ICTV til 1044 nye arter til sin offisielle virusliste, med tusenvis flere virus som venter på beskrivelse og så langt ikke navngitt. Fremveksten av et så stort utvalg av genomer fikk virologer til å revurdere måten virus klassifiseres på, og bidro til å klargjøre prosessen med deres utvikling. Det er sterke bevis for at virus ikke stammer fra en enkelt kilde, men oppsto flere ganger.

Likevel er den sanne størrelsen på det globale virale fellesskapet stort sett ukjent, ifølge virolog Jens Kuhn fra US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) i Fort Detrick, Maryland: "Vi har virkelig ingen anelse om at det er på gang."

Overalt og overalt

Ethvert virus har to egenskaper: for det første er genomet til hvert virus innelukket i en proteinkappe, og for det andre bruker hvert virus en fremmed vertsorganisme - det være seg en mann, en edderkopp eller en plante - for dets reproduksjon. Men det er utallige variasjoner i denne generelle ordningen.

For eksempel har små sirkovirus bare to eller tre gener, mens massive mimivirus, som er større enn noen bakterier, har hundrevis av gener.

For eksempel er det bakteriofager som ligner litt på apparatet for å lande på månen – disse bakteriofagene infiserer bakterier. Og, selvfølgelig, i dag vet alle om morderballene besatt med torner, bildene av dem er nå smertelig kjent for enhver person i ethvert land i verden. Og virus har også denne funksjonen: en gruppe virus lagrer genomet i form av DNA, mens den andre - i form av RNA.

Det er til og med en bakteriofag som bruker et alternativt genetisk alfabet, der nitrogenbasen A i det kanoniske ACGT-systemet erstattes av et annet molekyl betegnet med bokstaven Z [bokstaven A står for nitrogenbasen "adenin", som er en del av nuklein syrer (DNA og RNA); ACGT- nitrogenholdige baser som utgjør DNA, nemlig: A - adenin, C - cytosin, G - guanin, T - tymin, - ca. overs.].

Virus er så allestedsnærværende og nysgjerrige at de kan dukke opp selv om forskerne ikke leter etter dem. Så for eksempel, Frederik Schulz hadde ikke til hensikt å studere virus i det hele tatt, hans område for vitenskapelig forskning er sekvensen av genomer fra avløpsvann. Som doktorgradsstudent ved Universitetet i Wien brukte Schultz metagenomikk for å finne bakterier i 2015. Med denne tilnærmingen isolerer forskere DNA fra en rekke organismer, maler dem i små biter og sekvenserer dem. Deretter setter et dataprogram sammen individuelle genomer fra disse bitene. Denne prosedyren minner om å sette sammen flere hundre puslespill på en gang fra separate fragmenter blandet med hverandre.

Blant bakteriegenomene kunne ikke Schultz unngå å legge merke til en stor del av det virale genomet (tilsynelatende fordi denne delen hadde virale konvoluttgener), som inkluderte 1,57 millioner basepar. Dette virale genomet viste seg å være en gigant, det var en del av en gruppe virus, hvis medlemmer er gigantiske virus både i genomstørrelse og i absolutte dimensjoner (vanligvis 200 nanometer eller mer i diameter). Dette viruset infiserer amøber, alger og andre protozoer, og påvirker dermed akvatiske økosystemer, så vel som økosystemer på land.

Frederick Schultz, nå mikrobiolog ved US Department of Energys Joint Genome Institute i Berkeley, California, bestemte seg for å se etter relaterte virus i metagenomiske databaser. I 2020, i artikkelen deres, beskrev Schultz og hans kolleger mer enn to tusen genomer fra gruppen som inneholder gigantiske virus. Husk at tidligere var bare 205 slike genomer inkludert i de offentlig tilgjengelige databasene.

I tillegg måtte virologer også se inn i menneskekroppen på jakt etter nye arter. Virusbioinformatikkspesialist Luis Camarillo-Guerrero analyserte sammen med kolleger fra Senger Institute i Hinkston (UK) menneskelige tarmmetagenomer og opprettet en database som inneholder mer enn 140 000 bakteriofagarter. Mer enn halvparten av dem var ukjente for vitenskapen.

Forskernes felles studie, publisert i februar, falt sammen med andre forskeres funn om at en av de vanligste gruppene av virus som infiserer menneskelige tarmbakterier er en gruppe kjent som crAssphage (oppkalt etter cross-assembler-programmet som oppdaget det i 2014). Til tross for overfloden av virus representert i denne gruppen, vet forskerne lite om hvordan virus fra denne gruppen deltar i det menneskelige mikrobiomet, sier Camarillo-Guerrero, som nå jobber for DNA-sekvenseringsselskapet Illumina (Illumina ligger i Cambridge, Storbritannia).

Metagenomics har oppdaget mange virus, men samtidig ignorerer metagenomics mange virus. I typiske metagenomer sekvenseres ikke RNA-virus, så mikrobiolog Colin Hill ved Irish National University i Cork, Irland, og hans kolleger søkte etter dem i RNA-databaser kalt metatranskripter.

Forskere refererer vanligvis til disse dataene når de studerer gener i en populasjon, dvs. de genene som aktivt omdannes til messenger RNA [budbringer RNA (eller mRNA) kalles også messenger RNA (mRNA) - ca. overs.] involvert i produksjonen av proteiner; men genomene til RNA-virus kan også finnes der. Ved å bruke beregningsteknikker for å trekke ut sekvenser fra data, fant teamet 1015 virale genomer i metatrancryptomer fra silt- og vannprøver. Takket være forskernes arbeid har informasjonen om kjente virus økt betydelig etter at bare én artikkel dukket opp.

Takket være disse metodene er det mulig å ved et uhell samle genomer som ikke finnes i naturen, men for å forhindre dette har forskere lært å bruke kontrollmetoder. Men det er også andre svakheter. For eksempel er det ekstremt vanskelig å isolere visse typer virus med stort genetisk mangfold, siden det er vanskelig for dataprogrammer å sette sammen ulike gensekvenser.

En alternativ tilnærming er å sekvensere hvert viralt genom separat, slik mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia ved Universitetet i Alicante i Spania gjør. Etter å ha ført sjøvann gjennom filtre, isolerte han noen spesifikke virus, forsterket deres DNA og fortsatte med sekvensering.

Etter det første forsøket fant han 44 genom. Det viste seg at en av dem er en type av et av de vanligste virusene som lever i havet. Dette viruset har et så stort genetisk mangfold (dvs. de genetiske fragmentene av dets virale partikler er så forskjellige i forskjellige virale partikler) at dets genom aldri har dukket opp i metagenomisk forskning. Forskere kalte den "37-F6" på grunn av beliggenheten på en laboratorieskål. Imidlertid spøkte Martinez-Garcia, gitt genomets evne til å gjemme seg i synlige øyne, burde det ha fått navnet 007 etter superagenten James Bond.

Familietrær av virus

Slike havvirus, like hemmelighetsfulle som James Bond, har ikke et offisielt latinsk navn, og det samme har de fleste av de flere tusen virale genomene som er oppdaget i løpet av det siste tiåret ved hjelp av metagenomikk. Disse genomiske sekvensene stilte et vanskelig spørsmål for ICTV: Er ett genom nok til å navngi viruset? Fram til 2016 eksisterte følgende rekkefølge: hvis forskere foreslo en ny type virus eller taksonomisk gruppe for ICTV, så var det, med sjeldne unntak, nødvendig å tilveiebringe i kulturen ikke bare dette viruset, men også vertsorganismen. Men i 2016, etter intens debatt, ble virologene enige om at ett genom ville være nok.

Søknader om nye virus og grupper av virus begynte å komme. Men de evolusjonære forholdene mellom disse virusene har noen ganger forblitt uklare. Virologer klassifiserer vanligvis virus basert på deres form (for eksempel "lang", "tynn", "hode og hale") eller basert på deres genomer (DNA eller RNA, enkelt- eller dobbelttrådet), men disse egenskapene forteller oss overraskende lite. om deres felles opphav. For eksempel ser det ut til at virus med dobbelttrådet DNA-genom har oppstått i minst fire forskjellige situasjoner.

Den første klassifiseringen av ICTV-virus (som innebærer at virustreet og treet av cellulære livsformer eksisterer separat fra hverandre) inkluderte bare de nedre trinnene i det evolusjonære hierarkiet, alt fra arter og slekter til nivået som ifølge klassifisering av flercellet liv, tilsvarer primater eller bartrær. Det var ingen høyere nivåer av det evolusjonære hierarkiet av virus. Og mange virusfamilier eksisterte isolert, uten noen koblinger med andre typer virus. Så i 2018 la ICTV til høyere ordensnivåer for å klassifisere virus: klasser, typer og riker.

Helt på toppen av klassifiseringen av virus setter ICTV grupper kalt "riker" (riker), som er analoger av "domener" for cellulære livsformer (bakterier, arkea og eukaryoter), dvs. ICTV brukte et annet ord for å skille mellom de to trærne. (For flere år siden antydet noen forskere at noen virus sannsynligvis kunne passe inn i treet av cellulære livsformer; men denne ideen har ikke fått bred godkjenning.)

ICTV har skissert grenene til virustreet og tildelt RNA-virus til en region kalt Riboviria; forresten, en del av dette området er SARS-CoV-2-viruset og andre koronavirus, hvis genom er enkelttrådet RNA. Men så måtte det enorme fellesskapet av virologer foreslå flere taksonomiske grupper. Det er tilfeldigvis at evolusjonsbiolog Eugene Koonin fra National Center for Biotechnology Information i Bethesda, Maryland, samlet et team av forskere for å komme opp med en første måte å kategorisere virus på. For dette formål bestemte Kunin seg for å analysere alle virale genomer, så vel som resultatene av studier på virale proteiner.

De omorganiserte Riboviria-regionen og foreslo ytterligere tre riker. Det har vært kontroverser rundt noen av detaljene, sa Kunin, men i 2020 ble systematiseringen godkjent av ICTV-medlemmer uten store problemer. Ytterligere to riker ble gitt grønt lys i 2021, ifølge Kunin, men de opprinnelige fire vil sannsynligvis forbli den største. Til slutt, foreslår Kunin, kan antallet riker være så høyt som 25.

Dette tallet bekrefter mistanken til mange forskere: virus har ikke en felles stamfar. "Det er ingen enkelt stamfader for alle virus," sier Kunin. "Det eksisterer bare ikke." Dette betyr at virus sannsynligvis har dukket opp flere ganger gjennom livets historie på jorden. Dermed har vi ingen grunn til å si at virus ikke kan dukke opp igjen. – Det dukker stadig opp nye virus i naturen, sier virolog Mart Krupovic ved Institut Pasteur i Paris, som har vært involvert i både ICTVs beslutningstaking og forskningsarbeidet til Kunin-gruppen om systematisering.

Virologer har flere hypoteser om årsakene til riker. Kanskje stammer rikene fra uavhengige genetiske elementer ved begynnelsen av livet på planeten Jorden, selv før cellene ble dannet. Eller kanskje de forlot hele celler, "rømte" fra dem, og forlot de fleste cellulære mekanismene for å opprettholde deres eksistens på et minimumsnivå. Kunin og Krupovitsj er for hybridhypotesen, ifølge hvilken disse primære genetiske elementene "stjal" det genetiske materialet fra cellen for å bygge viruspartikler. Siden det er mange hypoteser om opprinnelsen til virus, er det godt mulig at det er mange måter å se ut på, sier virolog Jens Kuhn, som jobbet i ICTV-komiteen med et forslag til ny systematisering av virus.

Til tross for at de virale og cellulære trærne er forskjellige, berører grenene deres ikke bare, men utveksler også gener. Så hvor skal virus klassifiseres - levende eller livløse? Svaret avhenger av hvordan du definerer "levende". Mange forskere anser ikke viruset for å være et levende vesen, mens andre er uenige. "Jeg har en tendens til å tro at de er i live," sier bioinformatikkforsker Hiroyuki Ogata, som forsker på virus ved Kyoto-universitetet i Japan. "De utvikler seg, de har genetisk materiale laget av DNA og RNA. Og de er en veldig viktig faktor i utviklingen av alle levende ting."

Den nåværende klassifiseringen er allment akseptert og representerer det første forsøket på å generalisere variasjonen av virus, selv om noen virologer mener at den er noe upresis. Et dusin virusfamilier har fortsatt ingen forbindelse med noe rike. "Den gode nyheten er at vi prøver å sette i det minste orden på dette rotet," legger mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia til.

De forandret verden

Den totale massen av virus som lever på jorden tilsvarer 75 millioner blåhval. Forskere er sikre på at virus påvirker næringsnett, økosystemer og til og med atmosfæren på planeten vår. Ifølge miljøvirologispesialist Matthew Sullivan fra Ohio State University i Columbus, oppdager forskere i økende grad nye typer virus, med forskere som "oppdager tidligere ukjente måter virus har en direkte innvirkning på økosystemer." Forskere prøver å kvantifisere denne virale eksponeringen.

– For øyeblikket har vi ingen enkel forklaring på at fenomenet finner sted, sier Hiroyuki Ogata.

I verdenshavene kan virus forlate vertsmikrobene sine og frigjøre karbon, som vil bli resirkulert av andre skapninger som spiser innsiden av disse vertsmikrobene og deretter frigjør karbondioksid. Men i senere tid har forskere også kommet til den konklusjon at sprengende celler ofte klumper seg og synker til bunnen av verdenshavene, og binder karbon fra atmosfæren.

Smelting av permafrost på land er hovedkilden til karbongenerering, sa Matthew Sullivan, og virus ser ut til å bidra til å frigjøre karbon fra mikroorganismer i dette miljøet. I 2018 beskrev Sullivan og hans kolleger 1 907 virale genomer og deres fragmenter samlet under tining av permafrost i Sverige, inkludert gener for proteiner som på en eller annen måte kan påvirke prosessen med nedbrytning av karbonforbindelser og, muligens, prosessen med deres transformasjon til klimagasser.

Virus kan også påvirke andre organismer (for eksempel blande genomene deres). For eksempel bærer virus gener for antibiotikaresistens fra en bakterie til en annen, og medikamentresistente stammer kan etter hvert seire. Ifølge Luis Camarillo-Guerrero kan slik genoverføring over tid forårsake alvorlige evolusjonære endringer i en bestemt populasjon – og ikke bare i bakterier. Ifølge noen estimater er 8% av menneskelig DNA av viral opprinnelse. Så, for eksempel, var det fra viruset at våre pattedyrforfedre mottok genet som var nødvendig for utviklingen av morkaken.

Forskere vil trenge mer enn bare deres genomene for å løse mange av spørsmålene om virusets oppførsel. Det er også nødvendig å finne vertene til viruset. I dette tilfellet kan ledetråden lagres i selve viruset: viruset kan for eksempel inneholde et gjenkjennelig fragment av vertens genetiske materiale i sitt eget genom.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia og kolleger har brukt encellet genomikk for å identifisere mikrober som inneholder det nylig oppdagede 37-F6-viruset. Vertsorganismen til dette viruset er bakterien Pelagibacter, som er en av de mest utbredte og mangfoldige marine organismene. I noen regioner av verdenshavene står Pelagibacter for nesten halvparten av alle cellene som lever i vannet. Hvis 37-F6-viruset plutselig forsvant, fortsetter Martinez-Garcia, ville livet til vannlevende organismer bli alvorlig forstyrret.

Forskere må finne ut hvordan den endrer vert for å få et fullstendig bilde av virkningen av et bestemt virus, forklarer evolusjonsøkolog Alexandra Worden fra Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) i Kiel, Tyskland. Warden studerer gigantiske virus som bærer gener for et fluorescerende protein kalt rhodopsin.

I prinsippet kan disse genene også være nyttige for vertsorganismer, for eksempel til formål som overføring av energi eller overføring av signaler, men dette faktum er ennå ikke bekreftet. For å finne ut hva som skjer med rhodopsin-genene, planlegger Alexandra Vorden å dyrke vertsorganismen (verten) sammen med viruset for å studere mekanismen for funksjonen til dette paret (vert-virus), samlet til et enkelt kompleks - "virocell".

"Det er bare gjennom cellebiologi at du kan fortelle hva den sanne rollen til dette fenomenet er og nøyaktig hvordan det påvirker karbonsyklusen," legger Warden til.

I sitt hjem i Florida dyrket ikke Maya Brightbart virus isolert fra edderkoppene Gasteracantha cancriformis, men hun klarte å lære en ting eller to om dem. De to tidligere ukjente virusene som ble funnet i disse edderkoppene tilhører gruppen som Brightbart har beskrevet som «fantastiske» – og alt på grunn av deres bittesmå genom: det første koder for genet for proteinkappen, det andre – genet for replikasjonsproteinet.

Siden ett av disse virusene bare er tilstede i edderkoppens kropp, men ikke i bena, mener Brightbart at dens funksjon faktisk er å infisere byttedyr, som senere blir spist av edderkoppen. Det andre viruset kan finnes i forskjellige områder av edderkoppens kropp - i kløen av egg og avkom - så Brightbart tror at dette viruset overføres fra foreldre til avkom. Ifølge Brightbart er dette viruset ufarlig for edderkoppen.

Så virus er "faktisk de enkleste å finne," sier Maya Brightbart. Det er mye vanskeligere å bestemme mekanismen som virus påvirker livssyklusen og økologien til vertsorganismen. Men først må virologer svare på et av de vanskeligste spørsmålene, minner Brightbart oss om: "Hvordan vet vi hvilken som skal undersøkes i begynnelsen?"