Вирусологичните открития могат да променят биологията

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Вирусите са малки, но „невероятно мощни същества“, без които няма да оцелеем. Тяхното влияние върху нашата планета е неоспоримо. Лесно е да ги намерите, учените продължават да идентифицират неизвестни досега видове вируси. Но колко знаем за тях? Как да разберем кой да изследваме първо?

Коронавирусът SARS-CoV-2 е само един от няколко милиона вируса, които живеят на нашата планета. Учените бързо идентифицират много нови видове.

Мая Брейтбарт е търсила нови вируси в африканските термити, антарктическите тюлени и Червено море. Но, както се оказа, за да намери наистина нещо, тя просто трябваше да надникне в домашната си градина във Флорида. Там, около басейна, можете да намерите кълбовидни паяци от вида Gasteracantha cancriformis.

Те имат ярък цвят и заоблени бели тела, върху които се забелязват черни петна и шест алени бодли, подобни на странно оръжие от Средновековието. Но вътре в телата на тези паяци, Мая Брайтбарт беше за изненада: когато Брайтбарт, експерт по вирусна екология от Университета на Южна Флорида в Сейнт, неизвестен на науката.

Както знаете, от 2020 г. ние, обикновените хора, сме заети само с един особено опасен вирус, известен на всички сега, но има много други вируси, които все още не са открити. Според учените около 10³¹различни вирусни частици, което е десет милиарда пъти приблизителния брой звезди в наблюдаваната вселена.

Вече е ясно, че екосистемите и отделните организми зависят от вирусите. Вирусите са малки, но невероятно мощни същества, те ускориха еволюционното развитие в продължение на милиони години, с тяхна помощ се осъществи трансфер на гени между организмите гостоприемници. Живеейки в световните океани, вирусите разчленяват микроорганизмите, хвърляйки съдържанието им във водната среда и обогатявайки хранителната мрежа с хранителни вещества. „Нямаше да оцелеем без вируси“, казва вирусологът Къртис Сътъл от Университета на Британска Колумбия във Ванкувър, Канада.

Международният комитет по таксономия на вирусите (ICTV) установи, че в момента има 9110 отделни типа вируси в света, но това очевидно е малка част от общия им брой. Това отчасти се дължи на факта, че официалната класификация на вирусите в миналото изискваше учените да култивират вируса в организма на гостоприемника или в неговите клетки; този процес отнема време и понякога изглежда нереалистично сложен.

Втората причина е, че в хода на научните изследвания акцентът беше върху откриването на онези вируси, които причиняват болести при хората или в други живи организми, които са с определена стойност за хората, например това се отнася до селскостопански животни и култури.

Въпреки това, както ни напомни пандемията от covid-19, важно е да се изследват вируси, които могат да се предават от един организъм гостоприемник на друг и точно това е заплахата за хората, както и за домашните животни или култури.

През последното десетилетие броят на известните вируси нарасна до небеса поради подобрения в технологията за откриване, а също и поради скорошна промяна в правилата за идентифициране на нови типове вируси, което направи възможно откриването на вируси, без да е необходимо да се култивират с организъм гостоприемник.

Един от най-разпространените методи е метагеномията. Тя позволява на учените да събират проби от геноми от околната среда, без да е необходимо да ги култивират. Нови технологии като секвенирането на вируси добавиха още имена на вируси към списъка, включително някои, които са изненадващо широко разпространени, но все още до голяма степен скрити от учените.

„Сега е чудесно време да се направи такъв вид изследване“, казва Мая Брайтбарт. - Мисля, че в много отношения сега е времето за вирома [вирома - съвкупността от всички вируси, които са характерни за отделния организъм - прибл.] ".

Само през 2020 г. ICTV добави 1044 нови вида към официалния си списък с вируси, като хиляди други вируси очакват описание и засега не са назовани. Появата на такова голямо разнообразие от геноми накара вирусолозите да преосмислят начина, по който вирусите се класифицират и помогна да се изясни процеса на тяхната еволюция. Има убедителни доказателства, че вирусите не произхождат от един източник, а се появяват няколко пъти.

Въпреки това истинският размер на глобалната вирусна общност е до голяма степен неизвестен, според вирусолога Йенс Кун от Националния институт по алергии и инфекциозни болести на САЩ (NIAID) във Форт Детрик, Мериленд: „Ние наистина нямаме представа, че това се случва.

Навсякъде и навсякъде

Всеки вирус има две свойства: първо, геномът на всеки вирус е затворен в протеинова обвивка и, второ, всеки вирус използва чужд организъм гостоприемник - било то човек, паяк или растение - за целите на възпроизвеждането си. Но има безброй вариации в тази обща схема.

Например, малките цирковируси имат само два или три гена, докато масивните мимивируси, които са по-големи от някои бактерии, имат стотици гени.

Например, има бактериофаги, които донякъде приличат на апарата за кацане на Луната - тези бактериофаги заразяват бактериите. И, разбира се, в днешно време всеки знае за топките-убийци, осеяни с тръни, чиито изображения сега са до болка познати, може би, на всеки човек във всяка страна по света. И вирусите също имат тази особеност: една група вируси съхранява генома си под формата на ДНК, а другата - под формата на РНК.

Има дори бактериофаг, използващ алтернативна генетична азбука, в която азотната основа А в каноничната ACGT система се заменя с друга молекула, обозначена с буквата Z [буквата А означава азотната основа "аденин", която е част от нуклеиновата киселини (ДНК и РНК); ACGT- азотни бази, които изграждат ДНК, а именно: A - аденин, C - цитозин, G - гуанин, T - тимин, - прибл. превод].

Вирусите са толкова повсеместни и любопитни, че могат да се появят, дори и учените да не ги търсят. Така, например, Фредерик Шулц изобщо не е възнамерявал да изучава вируси, неговата област на научни изследвания е последователността на геномите от отпадъчните води. Като аспирант във Виенския университет, Шулц използва метагеномика, за да открие бактерии през 2015 г. С този подход учените изолират ДНК от редица организми, смилат ги на малки парченца и ги секвенират. След това компютърна програма събира отделни геноми от тези парчета. Тази процедура напомня на сглобяване на няколкостотин пъзела наведнъж от отделни фрагменти, смесени един с друг.

Сред бактериалните геноми Шулц не можеше да не забележи огромна част от вирусния геном (очевидно защото тази част имаше гени на вирусна обвивка), която включваше 1,57 милиона базови двойки. Този вирусен геном се оказа гигантски, той беше част от група вируси, чиито членове са гигантски вируси както по размер на генома, така и в абсолютни размери (обикновено 200 нанометра или повече в диаметър). Този вирус заразява амеби, водорасли и други протозои, като по този начин засяга водните екосистеми, както и екосистемите на сушата.

Фредерик Шулц, сега микробиолог в Съвместния геномен институт на Министерството на енергетиката на САЩ в Бъркли, Калифорния, реши да търси свързани вируси в метагеномни бази данни. През 2020 г. в статията си Шулц и колегите му описват повече от две хиляди генома от групата, която съдържа гигантски вируси. Припомнете си, че преди това само 205 такива генома бяха включени в публично достъпните бази данни.

В допълнение, вирусолозите също трябваше да погледнат вътре в човешкото тяло в търсене на нови видове. Специалистът по вирусна биоинформатика Луис Камарило-Гереро, заедно с колеги от института Senger в Хинкстън (Великобритания), анализираха човешки чревни метагеноми и създадоха база данни, съдържаща повече от 140 000 вида бактериофаги. Повече от половината от тях бяха неизвестни на науката.

Съвместното проучване на учените, публикувано през февруари, съвпадна с констатациите на други учени, че една от най-често срещаните групи вируси, които заразяват човешки чревни бактерии, е група, известна като crAssphage (наречена на програмата за кръстосани асембли, която я откри през 2014 г.). Въпреки изобилието от вируси, представени в тази група, учените знаят малко за това как вирусите от тази група участват в човешкия микробиом, казва Камарило-Гереро, който сега работи за компанията за ДНК секвениране Illumina (Illumina се намира в Кеймбридж, Великобритания).

Метагеномиката е открила много вируси, но в същото време метагеномиката игнорира много вируси. В типичните метагеноми РНК вирусите не са секвенирани, така че микробиологът Колин Хил от Ирландския национален университет в Корк, Ирландия, и неговите колеги ги търсиха в РНК бази данни, наречени метатранскрипти.

Учените обикновено се позовават на тези данни, когато изучават гени в популация, т.е. тези гени, които се превръщат активно в информационна РНК [информационна РНК (или иРНК) се нарича още информационна РНК (иРНК) - прибл. превод] участва в производството на протеини; но там могат да се намерят и геномите на РНК вирусите. Използвайки изчислителни техники за извличане на последователности от данни, екипът откри 1015 вирусни генома в метатранкриптоми от проби от тиня и вода. Благодарение на работата на учените, информацията за известни вируси се е увеличила значително, след като се появи само една статия.

Благодарение на тези методи е възможно случайно да се съберат геноми, които не съществуват в природата, но за да предотвратят това, учените са се научили да използват методи за контрол. Но има и други слабости. Например, изключително трудно е да се изолират определени видове вируси с голямо генетично разнообразие, тъй като е трудно за компютърните програми да съберат различни генни последователности.

Алтернативен подход е да се секвенира всеки вирусен геном поотделно, както е направено от микробиолога Мануел Мартинес-Гарсия от Университета на Аликанте в Испания. След преминаване на морска вода през филтри, той изолира някои специфични вируси, амплифицира тяхната ДНК и пристъпва към секвениране.

След първия опит той откри 44 генома. Оказа се, че един от тях е вид един от най-разпространените вируси, живеещи в океана. Този вирус има толкова голямо генетично разнообразие (т.е. генетичните фрагменти от неговите вирусни частици са толкова различни в различните вирусни частици), че неговият геном никога не се е появявал в изследванията на метагеномията. Учените го нарекоха "37-F6" заради местоположението му върху лабораторна чиния. Въпреки това, Мартинес-Гарсия се пошегува, като се има предвид способността на генома да се крие на видно място, той трябваше да бъде кръстен 007 на супер агент Джеймс Бонд.

Родословни дървета на вируси

Такива океански вируси, толкова потайни като Джеймс Бонд, нямат официално латинско име, както повечето от няколкото хиляди вирусни генома, открити през последното десетилетие с помощта на метагеномика. Тези геномни последователности поставиха труден въпрос за ICTV: Достатъчен ли е един геном, за да назове вируса? До 2016 г. съществуваше следният ред: ако учените предложиха нов тип вирус или таксономична група за ICTV, тогава, с редки изключения, беше необходимо да се осигури в културата не само този вирус, но и организма гостоприемник. Но през 2016 г., след интензивен дебат, вирусолозите се съгласиха, че един геном би бил достатъчен.

Започнаха да пристигат приложения за нови вируси и групи вируси. Но еволюционните връзки между тези вируси понякога остават неясни. Вирусолозите обикновено класифицират вирусите въз основа на тяхната форма (например „дълги“, „тънки“, „глава и опашка“) или въз основа на техните геноми (ДНК или РНК, едноверижни или двуверижни), но тези свойства ни казват изненадващо малко. за общия им произход. Например, вирусите с геноми на двойно-верижна ДНК изглежда са произлезли в поне четири различни ситуации.

Първоначалната класификация на вирусите на ICTV (която предполага, че дървото на вирусите и дървото на клетъчните форми на живот съществуват отделно един от друг) включваше само по-ниските стъпки на еволюционната йерархия, вариращи от видове и родове до нивото, което според класификацията на многоклетъчния живот, е еквивалентна на примати или иглолистни дървета. Нямаше по-високи нива на еволюционната йерархия на вирусите. И много семейства вируси съществуваха изолирано, без никакви връзки с други видове вируси. И така, през 2018 г. ICTV добави по-високи нива за класифициране на вируси: класове, типове и сфери.

В самия връх на класификацията на вирусите ICTV поставя групи, наречени „царства“(realms), които са аналози на „домейни“за клетъчни форми на живот (бактерии, археи и еукариоти), т.е. ICTV използва различна дума, за да разграничи двете дървета. (Преди няколко години някои учени предположиха, че някои вируси вероятно биха могли да се впишат в дървото на клетъчните форми на живот; но тази идея не е получила широко одобрение.)

ICTV очерта клоните на вирусното дърво и присвои РНК вирусите към регион, наречен Riboviria; между другото, част от тази област е вирусът SARS-CoV-2 и други коронавируси, чиито геноми са едноверижни РНК. Но тогава огромната общност от вирусолози трябваше да предложи допълнителни таксономични групи. Така се случи, че еволюционният биолог Юджийн Кунин от Националния център за биотехнологична информация в Бетезда, Мериленд, събра екип от учени, за да измисли първия начин за категоризиране на вирусите. За тази цел Кунин решава да анализира всички вирусни геноми, както и резултатите от изследвания върху вирусни протеини.

Те реорганизираха района на Рибовирия и предложиха още три области. Имаше противоречия по някои от детайлите, каза Кунин, но през 2020 г. систематизацията беше одобрена от членовете на ICTV без особени затруднения. Според Кунин още две области са получили зелена светлина през 2021 г., но първоначалните четири вероятно ще останат най-големите. В крайна сметка, предполага Кунин, броят на царствата може да достигне 25.

Това число потвърждава подозрението на много учени: вирусите нямат общ прародител. „Няма единен предшественик за всички вируси“, казва Кунин. - Просто не съществува. Това означава, че вирусите вероятно са се появявали няколко пъти през цялата история на живота на Земята. Следователно нямаме причина да твърдим, че вирусите не могат да се появят отново. „В природата непрекъснато се появяват нови вируси“, казва вирусологът Март Крупович от Института Пастьор в Париж, който е участвал както във вземането на решения на ICTV, така и в изследователската работа на групата на Кунин по систематизация.

Вирусолозите имат няколко хипотези за причините за царствата. Може би царствата произхождат от независими генетични елементи в зората на живота на планетата Земя, дори преди да се образуват клетките. Или може би са оставили цели клетки, „избягали“от тях, изоставяйки повечето от клетъчните механизми, за да поддържат съществуването си на минимално ниво. Кунин и Крупович са за хибридната хипотеза, според която тези първични генетични елементи „откраднаха” генетичния материал от клетката, за да изградят вирусни частици. Тъй като има много хипотези за произхода на вирусите, е напълно възможно да има много начини за появата им, казва вирусологът Йенс Кун, който е работил в комисията на ICTV по предложение за нова систематизация на вирусите.

Въпреки факта, че вирусните и клетъчните дървета са различни, техните клони не само се докосват, но и обменят гени. И така, къде трябва да се класифицират вирусите - живи или неодушевени? Отговорът зависи от това как дефинирате "жив". Много учени не смятат вируса за живо същество, докато други не са съгласни. „Склонен съм да вярвам, че са живи“, казва ученият по биоинформатика Хироюки Огата, който изследва вируси в университета в Киото в Япония. „Те се развиват, имат генетичен материал, направен от ДНК и РНК. И те са много важен фактор в еволюцията на всички живи същества."

Настоящата класификация е широко приета и представлява първия опит за обобщаване на разнообразието от вируси, въпреки че някои вирусолози смятат, че е донякъде неточна. Дузина семейства вируси все още нямат връзка с нито една сфера. „Добрата новина е, че се опитваме да внесем поне някакъв ред в тази каша“, добавя микробиологът Мануел Мартинес-Гарсия.

Те промениха света

Общата маса на вирусите, живеещи на Земята, е еквивалентна на 75 милиона сини китове. Учените са уверени, че вирусите засягат хранителните мрежи, екосистемите и дори атмосферата на нашата планета. Според специалиста по вирусология по околната среда Матю Съливан от Държавния университет в Охайо в Кълъмбъс, учените все повече откриват нови видове вируси, като изследователите „откриват неизвестни досега начини, по които вирусите оказват пряко въздействие върху екосистемите“. Учените се опитват да измерят количествено тази вирусна експозиция.

„В момента нямаме просто обяснение за случващите се явления“, казва Хироюки Огата.

В световните океани вирусите могат да напуснат микробите си гостоприемници, освобождавайки въглерод, който ще бъде рециклиран от други същества, които ядат вътрешностите на тези микроби гостоприемници и след това отделят въглероден диоксид. Но наскоро учените също стигнаха до заключението, че спуканите клетки често се струпват и потъват на дъното на световния океан, свързвайки въглерода от атмосферата.

Топенето на вечна замръзване на сушата е основният източник на генериране на въглерод, каза Матю Съливан, а вирусите изглежда спомагат за освобождаването на въглерод от микроорганизмите в тази среда. През 2018 г. Съливан и колегите му описват 1907 вирусни генома и техните фрагменти, събрани по време на размразяването на вечна замръзване в Швеция, включително гени за протеини, които по някакъв начин могат да повлияят на процеса на разпадане на въглеродните съединения и, вероятно, на процеса на тяхното превръщане в парникови газове.

Вирусите могат да влияят и на други организми (например да разместват геномите си). Например, вирусите носят гени за антибиотична резистентност от една бактерия към друга и щамовете, устойчиви на лекарства, могат в крайна сметка да преобладават. Според Луис Камарило-Гереро с течение на времето подобен трансфер на гени може да причини сериозни еволюционни промени в конкретна популация – и то не само в бактериите. Така, според някои оценки, 8% от човешката ДНК е с вирусен произход. Така например, именно от вируса нашите предци от бозайници са получили гена, необходим за развитието на плацентата.

Учените ще се нуждаят не само от геномите си, за да решат много от въпросите за поведението на вирусите. Също така е необходимо да се намерят гостоприемниците на вируса. В този случай уликата може да се съхранява в самия вирус: вирусът, например, може да съдържа разпознаваем фрагмент от генетичния материал на гостоприемника в собствения си геном.

Микробиологът Мануел Мартинес-Гарсия и колегите му са използвали едноклетъчна геномика, за да идентифицират микроби, съдържащи наскоро открития вирус 37-F6. Организмът гостоприемник на този вирус е бактерията Pelagibacter, която е един от най-разпространените и разнообразни морски организми. В някои райони на Световния океан Pelagibacter представлява почти половината от всички клетки, които живеят във водите му. Ако вирусът 37-F6 внезапно изчезне, продължава Мартинес-Гарсия, животът на водните организми ще бъде сериозно нарушен.

Учените трябва да разберат как той променя своя гостоприемник, за да получат пълна представа за въздействието на конкретен вирус, обяснява еволюционният еколог Александра Уордън от Центъра за океански науки. Хелмхолц (GEOMAR) в Кил, Германия. Уордън изучава гигантски вируси, които носят гени за флуоресцентен протеин, наречен родопсин.

По принцип тези гени могат да бъдат полезни и за организмите гостоприемници, например за такива цели като пренос на енергия или предаване на сигнали, но този факт все още не е потвърден. За да разбере какво се случва с гените на родопсина, Александра Вордън планира да култивира организма гостоприемник (гостоприемник) заедно с вируса, за да проучи механизма на функциониране на тази двойка (гостоприемник-вирус), обединена в единен комплекс - "вироклетка".

„Само чрез клетъчната биология можете да разберете каква е истинската роля на това явление и как точно влияе върху въглеродния цикъл“, добавя Уордън.

В дома си във Флорида Мая Брайтбарт не култивира вируси, изолирани от паяците Gasteracantha cancriformis, но успя да научи нещо или две за тях. Двата досега неизвестни вируса, открити в тези паяци, принадлежат към групата, която Брайтбарт описва като "удивителна" - и всичко това заради малките им геноми: първият кодира гена за протеиновата обвивка, вторият - гена за репликационния протеин.

Тъй като един от тези вируси присъства само в тялото на паяка, но не и в краката му, Брайтбарт смята, че всъщност неговата функция е да заразява плячка, която впоследствие се изяжда от паяка. Вторият вирус може да бъде открит в различни области на тялото на паяка – в съединителя на яйцата и потомството – така че Брайтбарт вярва, че този вирус се предава от родител на потомство. Според Брайтбарт този вирус е безвреден за паяка.

Така че вирусите "всъщност са най-лесните за намиране", казва Мая Брайтбарт. Много по-трудно е да се определи механизмът, чрез който вирусите влияят върху жизнения цикъл и екологията на организма гостоприемник. Но първо вирусолозите трябва да отговорят на един от най-трудните въпроси, напомня ни Брайтбарт: „Как да разберем кой да изследваме в самото начало?“