A virológiai felfedezések megváltoztathatják a biológiát

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A vírusok apró, de „hihetetlenül erős lények”, amelyek nélkül nem élnénk túl. Hatásuk bolygónkra tagadhatatlan. Könnyű megtalálni őket, a tudósok továbbra is azonosítják a korábban ismeretlen típusú vírusokat. De vajon mennyit tudunk róluk? Honnan tudjuk, hogy melyiket vizsgáljuk meg először?

A SARS-CoV-2 koronavírus csak egy a bolygónkon élő több millió vírus közül. A tudósok gyorsan azonosítanak számos új típust.

A Maya Breitbart új vírusokat keresett afrikai termeszdombokban, antarktiszi fókákban és a Vörös-tengeren. De, mint kiderült, ahhoz, hogy valóban találjon valamit, csak be kellett néznie floridai otthoni kertjébe. Ott, a medence körül a Gasteracantha cancriformis fajba tartozó gömbhálós pókokat találhatunk.

Élénk színűek és lekerekített fehér testük van, amelyen fekete foltok és hat skarlát tövis figyelhető meg, hasonlóan a középkori különös fegyverhez. De ezeknek a póknak a testében Maya Brightbart meglepetésben volt része: amikor Brightbart, a vírusok ökológiájának szakértője a St. Dél-Floridai Egyetemen ismeretlen a tudomány számára.

Mint ismeretes, minket, hétköznapi embereket 2020 óta csak egy mindenki által ismert, különösen veszélyes vírus foglalkoztat, de sok más vírus is van, amelyet még nem sikerült kimutatni. A tudósok szerint körülbelül 10³¹különböző vírusrészecskék, ami tízmilliárdszorosa a megfigyelhető univerzumban található csillagok hozzávetőleges számának.

Ma már világos, hogy az ökoszisztémák és az egyes szervezetek a vírusoktól függenek. A vírusok apró, de hihetetlenül erős lények, évmilliók alatt gyorsították fel az evolúciós fejlődést, segítségükkel a gazdaszervezetek közötti gének átvitelét hajtották végre. A világ óceánjain élve a vírusok mikroorganizmusokat boncoltak ki, tartalmukat a vízi környezetbe dobták és tápanyagokkal gazdagították a táplálékhálózatot. "Vírusok nélkül nem éltük volna túl" - mondja Curtis Suttle, a kanadai vancouveri British Columbia Egyetem virológusa.

A Vírusok Taxonómiájának Nemzetközi Bizottsága (ICTV) megállapította, hogy jelenleg 9110 különböző típusú vírus létezik a világon, de ez nyilvánvalóan csak töredéke az összes vírusnak. Ez részben annak tudható be, hogy a vírusok hivatalos osztályozása a múltban megkövetelte a tudósoktól, hogy a vírust a gazdaszervezetben vagy annak sejtjeiben tenyésztsék; ez a folyamat időigényes, és néha irreálisan bonyolultnak tűnik.

A második ok, hogy a tudományos kutatások során azon vírusok felkutatására helyezték a hangsúlyt, amelyek emberben vagy más élő szervezetben betegségeket okoznak, és amelyek bizonyos értéket képviselnek az ember számára, például haszonállatokat, haszonnövényeket érint.

Ennek ellenére – amint arra a covid-19 világjárvány is emlékeztetett – fontos az egyik gazdaszervezetről a másikra átterjedő vírusok tanulmányozása, és éppen ez fenyegeti az embert, valamint a háziállatokat vagy a növényeket.

Az elmúlt évtizedben az ismert vírusok száma ugrásszerűen megugrott az észlelési technológia fejlődésének, valamint az új típusú vírusok azonosítására vonatkozó szabályok közelmúltbeli változásának köszönhetően, amely lehetővé tette a vírusok kimutatását anélkül, hogy tenyészteni kellett volna őket. gazdaszervezet.

Az egyik legelterjedtebb módszer a metagenomika. Lehetővé teszi a tudósok számára, hogy genommintákat gyűjtsenek a környezetből anélkül, hogy tenyészteni kellene azokat. Az olyan új technológiák, mint a vírusszekvenálás, további vírusneveket vettek fel a listára, köztük olyanokat is, amelyek meglepően széles körben elterjedtek, de még mindig nagyrészt rejtve maradtak a tudósok elől.

„Most kiváló alkalom az ilyen jellegű kutatások elvégzésére” – mondja Maya Brightbart. - Azt gondolom, hogy sok szempontból most van itt az ideje a viromnak [virome - az összes vírus gyűjteménye, amely egy egyedi szervezetre jellemző - kb.] ".

Csak 2020-ban az ICTV 1044 új fajt vett fel hivatalos víruslistájára, és további ezer vírus vár leírásra, és egyelőre név nélkül. A genomok ilyen sokféleségének megjelenése arra késztette a virológusokat, hogy újragondolják a vírusok osztályozási módját, és segítettek tisztázni evolúciójuk folyamatát. Erős bizonyíték van arra, hogy a vírusok nem egy forrásból származnak, hanem többször is előfordultak.

Jens Kuhn virológus, az Egyesült Államok Fort Detrick állambeli Allergia és Fertőző Betegségek Intézetének (NIAID) munkatársa szerint azonban a globális vírusközösség valódi mérete nagyrészt ismeretlen: „Fogalmunk sincs, hogy ez történik.”

Mindenhol és mindenhol

Bármely vírusnak két tulajdonsága van: egyrészt az egyes vírusok genomja fehérjeburokba van zárva, másrészt minden vírus idegen gazdaszervezetet - legyen az ember, pók vagy növény - felhasznál a szaporodása céljából. Ennek az általános sémának azonban számtalan változata van.

Például az apró cirkovírusoknak csak két vagy három génje van, míg a masszív mimivírusoknak, amelyek nagyobbak, mint néhány baktérium, több száz gén van.

Például vannak olyan bakteriofágok, amelyek némileg hasonlítanak a Holdra való leszálláshoz használt berendezéshez – ezek a bakteriofágok megfertőzik a baktériumokat. És persze manapság mindenki ismeri a tövisekkel tűzdelt gyilkos golyókat, amelyek képeit ma már talán a világ bármely országában fájdalmasan ismeri mindenki. És a vírusok is rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal: a vírusok egyik csoportja DNS, míg a másik RNS formájában tárolja genomját.

Még egy alternatív genetikai ábécét használó bakteriofág is létezik, amelyben a kanonikus ACGT rendszerben az A nitrogénbázist egy másik Z betűvel jelölt molekula helyettesíti [az A betű az "adenin" nitrogénbázist jelöli, amely a nukleinsav része. savak (DNS és RNS); ACGT- a DNS-t alkotó nitrogénbázisok, nevezetesen: A - adenin, C - citozin, G - guanin, T - timin, - kb. ford.].

A vírusok annyira mindenütt jelen vannak és kíváncsiak, hogy akkor is megjelenhetnek, ha a tudósok nem keresik őket. Így például Frederik Schulz egyáltalán nem szándékozott vírusokat tanulmányozni, tudományos kutatási területe a szennyvízből származó genomok szekvenciája. A Bécsi Egyetem végzős hallgatójaként Schultz 2015-ben metagenomika segítségével baktériumokat talált. Ezzel a megközelítéssel a tudósok DNS-t izolálnak egy sor élőlénytől, apró darabokra őrlik, és szekvenálják. Ezután egy számítógépes program egyedi genomokat állít össze ezekből a darabokból. Ez az eljárás arra emlékeztet, hogy több száz rejtvényt állítanak össze egyszerre, különálló, egymással kevert töredékekből.

A bakteriális genomok közül Schultz nem tudta nem észrevenni a vírusgenom egy hatalmas részét (nyilván azért, mert ez a darab vírusburok géneket tartalmazott), amely 1,57 millió bázispárt tartalmazott. Ez a vírusgenom óriásnak bizonyult, egy víruscsoport része, amelynek tagjai mind genomméretben, mind abszolút méretben (általában 200 nanométer vagy nagyobb átmérőjű) óriási vírusok. Ez a vírus megfertőzi az amőbákat, algákat és más protozoonokat, ezáltal hatással van a vízi ökoszisztémákra, valamint a szárazföldi ökoszisztémákra.

Frederick Schultz, aki jelenleg az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának a kaliforniai Berkeleyben található Joint Genome Institute mikrobiológusa, úgy döntött, hogy metagenomikus adatbázisokban keres rokon vírusokat. 2020-ban Schultz és munkatársai cikkükben több mint kétezer genomot írtak le az óriási vírusokat tartalmazó csoportból. Emlékezzünk vissza, hogy korábban csak 205 ilyen genom szerepelt a nyilvánosan elérhető adatbázisokban.

Emellett a virológusoknak az emberi test belsejébe is be kellett nézniük új fajok után kutatva. Luis Camarillo-Guerrero vírusbioinformatikai specialista a hinkstoni Senger Institute munkatársaival (Egyesült Királyság) elemezte az emberi bél metagenomjait, és több mint 140 000 bakteriofág fajt tartalmazó adatbázist hozott létre. Több mint felük ismeretlen volt a tudomány számára.

A tudósok februárban közzétett közös tanulmánya egybeesett más tudósok azon megállapításaival, miszerint az emberi bélbaktériumokat megfertőző vírusok egyik leggyakoribb csoportja a crAssphage néven ismert csoport (a 2014-ben felfedezett keresztösszeállító programról kapta a nevét).. Az ebben a csoportban képviselt vírusok bősége ellenére a tudósok keveset tudnak arról, hogy az ebbe a csoportba tartozó vírusok hogyan vesznek részt az emberi mikrobiomban – mondja Camarillo-Guerrero, aki jelenleg az Illumina DNS-szekvenáló cégnél dolgozik (az Illumina Cambridge-ben, Egyesült Királyságban található).

A metagenomika számos vírust fedezett fel, ugyanakkor a metagenomika számos vírust figyelmen kívül hagy. A tipikus metagenomokban az RNS-vírusokat nem szekvenálják, ezért Colin Hill, az írországi Cork-i Ír Nemzeti Egyetem mikrobiológusa és munkatársai metatranszkriptumnak nevezett RNS-adatbázisokban keresték őket.

A tudósok általában ezekre az adatokra hivatkoznak, amikor egy populációban géneket vizsgálnak, pl. azokat a géneket, amelyek aktívan átalakulnak hírvivő RNS-vé [a hírvivő RNS-t (vagy mRNS-t) hírvivő RNS-nek (mRNS) is nevezik - kb. ford.] részt vesz a fehérjék előállításában; de az RNS-vírusok genomja is megtalálható ott. Számítási technikák segítségével szekvenciákat nyert ki az adatokból, és a csapat 1015 vírusgenomot talált iszap- és vízminták metatrankriptómáiban. A tudósok munkájának köszönhetően az ismert vírusokkal kapcsolatos információk jelentősen megnövekedtek, miután egyetlen cikk jelent meg.

Ezeknek a módszereknek köszönhetően véletlenül is össze lehet gyűjteni olyan genomokat, amelyek a természetben nem léteznek, de ennek megakadályozására a tudósok megtanulták az ellenőrzési módszereket. De vannak más gyenge pontok is. Például rendkívül nehéz bizonyos, nagy genetikai diverzitású vírustípusokat elkülöníteni, mivel a számítógépes programok nehezen tudják összeállítani az eltérő génszekvenciákat.

Alternatív megoldás az egyes vírusgenomok külön szekvenálása, ahogyan azt Manuel Martinez-Garcia mikrobiológus, az Alicantei Egyetemről (Spanyolország) teszi. Miután átengedte a tengervizet szűrőkön, izolált néhány specifikus vírust, amplifikálta DNS-üket, és folytatta a szekvenálást.

Az első próbálkozás után 44 genomot talált. Kiderült, hogy az egyik az óceánban élő egyik leggyakoribb vírus egyik típusa. Ennek a vírusnak olyan nagy a genetikai változatossága (vagyis a vírusrészecskék genetikai fragmentumai annyira eltérőek a különböző vírusrészecskékben), hogy genomja még soha nem jelent meg a metagenomikai kutatásokban. A tudósok "37-F6"-nak nevezték el, mert egy laboratóriumi tányéron helyezkedett el. Martinez-Garcia azonban viccelődött, tekintettel arra, hogy a genom jól láthatóan elrejtőzik, James Bond szuperügynökről kellett volna elnevezni a 007-et.

A vírusok családfái

Az ilyen titkos óceáni vírusoknak, mint a James Bondnak nincs hivatalos latin neve, ahogy a metagenomika segítségével az elmúlt évtizedben felfedezett több ezer vírusgenom többségének sem. Ezek a genomi szekvenciák nehéz kérdést tettek fel az ICTV számára: elég-e egyetlen genom a vírus elnevezéséhez? 2016-ig a következő sorrend létezett: ha a tudósok bármilyen új típusú vírust vagy taxonómiai csoportot javasoltak az ICTV számára, akkor ritka kivételektől eltekintve nem csak ezt a vírust, hanem a gazdaszervezetet is biztosítani kellett a kultúrában. De 2016-ban, heves vita után, a virológusok egyetértettek abban, hogy egy genom is elég lesz.

Elkezdtek érkezni az alkalmazások új vírusokra és víruscsoportokra. De a vírusok közötti evolúciós kapcsolatok néha tisztázatlanok maradtak. A virológusok általában alakjuk (például „hosszú”, „vékony”, „fej és farok”) vagy genomjuk (DNS vagy RNS, egy- vagy kétszálú) alapján osztályozzák a vírusokat, de ezek a tulajdonságok meglepően keveset árulnak el. közös eredetükről. Például úgy tűnik, hogy a kétszálú DNS-genomokkal rendelkező vírusok legalább négy különböző helyzetből származnak.

Az ICTV vírusok kezdeti osztályozása (ami azt jelenti, hogy a vírusok fája és a sejtes életformák fája egymástól elkülönülten létezik) csak az evolúciós hierarchia alsóbb fokait foglalta magában, a fajoktól és nemzetségektől egészen addig a szintig, amelyek a a többsejtű élet osztályozása egyenértékű a főemlősökkel vagy a tűlevelűekkel. A vírusok evolúciós hierarchiájának nem volt magasabb szintje. És sok víruscsalád elszigetelten létezett, mindenféle kapcsolat nélkül más típusú vírusokkal. Így 2018-ban az ICTV magasabb rendű szinteket adott hozzá a vírusok osztályozásához: osztályok, típusok és tartományok.

A vírusok osztályozásának legtetejére az ICTV a „birodalmaknak” (birodalmaknak) nevezett csoportokat helyezi, amelyek a sejtes életformák (baktériumok, archaeák és eukarióták) „tartományainak” analógjai, pl. Az ICTV más szót használt a két fa megkülönböztetésére. (Néhány évvel ezelőtt egyes tudósok azt javasolták, hogy bizonyos vírusok valószínűleg beilleszkedhetnek a sejtes életformák fájába, de ez az elképzelés nem kapott széles körű jóváhagyást.)

Az ICTV felvázolta a vírusfa ágait, és az RNS-vírusokat a Riboviria nevű régióhoz rendelte; egyébként ennek a területnek egy része a SARS-CoV-2 vírus és más koronavírusok, amelyek genomja egyszálú RNS. Ekkor azonban a virológusok hatalmas közösségének további taxonómiai csoportokat kellett javasolnia. Történt ugyanis, hogy Eugene Koonin evolúcióbiológus, a marylandi Bethesda állam Biotechnológiai Információs Központjának munkatársa tudóscsoportot gyűjtött össze, hogy kidolgozzák a vírusok kategorizálásának első módját. Ebből a célból Kunin úgy döntött, hogy elemzi az összes vírusgenomot, valamint a vírusfehérjékkel kapcsolatos vizsgálatok eredményeit.

Újjászervezték a Riboviria régiót, és további három birodalmat javasoltak. Egyes részletekkel kapcsolatban voltak viták, mondta Kunin, de 2020-ban az ICTV tagjai minden nehézség nélkül jóváhagyták a rendszerezést. Kunin szerint 2021-ben további két birodalom kapott zöld utat, de az eredeti négy valószínűleg a legnagyobb marad. Végül Kunin szerint a birodalmak száma akár 25 is lehet.

Ez a szám megerősíti sok tudós gyanúját: a vírusoknak nincs közös őse. „Nincs egyetlen elődje minden vírusnak” – mondja Kunin. – Egyszerűen nem létezik. Ez azt jelenti, hogy a vírusok valószínűleg többször is megjelentek a földi élet története során. Így nincs okunk azt mondani, hogy a vírusok nem jelenhetnek meg újra. „Folyamatosan új vírusok jelennek meg a természetben” – mondja Mart Krupovic virológus, a párizsi Pasteur Intézet munkatársa, aki részt vett mind az ICTV döntéshozatalában, mind a Kunin csoport rendszerezéssel foglalkozó kutatómunkájában.

A virológusoknak számos hipotézise van a birodalmak okairól. Talán a birodalmak független genetikai elemekből származtak a Föld bolygó életének hajnalán, még a sejtek kialakulása előtt. Vagy talán egész sejteket hagytak el, "megszöktek" belőlük, és a legtöbb sejtmechanizmust elhagyták, hogy minimális szinten tartsák létüket. Kunin és Krupovich a hibrid hipotézis mellett állnak, miszerint ezek az elsődleges genetikai elemek "lopták el" a genetikai anyagot a sejtből, hogy vírusrészecskéket építsenek. Mivel számos hipotézis létezik a vírusok eredetével kapcsolatban, nagyon valószínű, hogy megjelenésüknek sokféle módja van – mondja Jens Kuhn virológus, aki az ICTV bizottságban dolgozott a vírusok új rendszerezésére vonatkozó javaslaton.

Annak ellenére, hogy a vírusos és sejtes fák különböznek egymástól, ágaik nem csak érintkeznek, hanem géneket is cserélnek. Tehát hova kell besorolni a vírusokat – élő vagy élettelen? A válasz attól függ, hogyan definiálja az „élőt”. Sok tudós nem tartja a vírust élőlénynek, míg mások nem értenek egyet. "Hajlamos vagyok azt hinni, hogy életben vannak" - mondja Hiroyuki Ogata bioinformatikus, aki vírusokat kutat a japán Kiotói Egyetemen. – Fejlődnek, genetikai anyaguk van DNS-ből és RNS-ből. És nagyon fontos tényezői az összes élőlény fejlődésének."

A jelenlegi osztályozás széles körben elfogadott, és az első kísérlet a vírusok sokféleségének általánosítására, bár egyes virológusok úgy vélik, hogy ez kissé pontatlan. Egy tucat víruscsaládnak még mindig nincs kapcsolata egyetlen birodalommal sem. „A jó hír az, hogy próbálunk legalább némi rendet teremteni ebben a káoszban” – teszi hozzá Manuel Martinez-Garcia mikrobiológus.

Megváltoztatták a világot

A Földön élő vírusok össztömege 75 millió kék bálnának felel meg. A tudósok biztosak abban, hogy a vírusok hatással vannak a táplálékhálózatra, az ökoszisztémákra és még a bolygónk légkörére is. Matthew Sullivan, a Columbus-i Ohio Állami Egyetem környezetvédelmi virológiai szakértője szerint a tudósok egyre gyakrabban fedeznek fel új típusú vírusokat, a kutatók pedig "korábban ismeretlen módokat fedeznek fel, amelyekben a vírusok közvetlen hatást gyakorolnak az ökoszisztémákra". A tudósok megpróbálják számszerűsíteni ezt a vírusexpozíciót.

„Jelenleg nincs egyszerű magyarázatunk a lezajló jelenségekre” – mondja Hiroyuki Ogata.

A világóceánon a vírusok elhagyhatják gazdamikrobáikat, szén-dioxidot szabadítva fel, amelyet más lények újrahasznosítanak, amelyek megeszik a gazdamikrobák belsejét, majd szén-dioxidot bocsátanak ki. De a közelmúltban a tudósok arra a következtetésre is jutottak, hogy a felrobbanó sejtek gyakran összetapadnak és lesüllyednek a világóceán fenekére, megkötve a légkörből származó szenet.

Matthew Sullivan szerint a permafroszt szárazföldi olvadása a széntermelés fő forrása, és úgy tűnik, hogy a vírusok elősegítik a szén felszabadítását a mikroorganizmusokból ebben a környezetben. 2018-ban Sullivan és munkatársai 1907 vírusgenomot és azok fragmentumait írtak le, amelyeket a permafrost olvadása során gyűjtöttek össze Svédországban, köztük olyan fehérjék génjeit, amelyek valamilyen módon befolyásolhatják a szénvegyületek bomlási folyamatát, és esetleg üvegházhatású gázokká való átalakulásának folyamatát..

A vírusok más szervezetekre is hatással lehetnek (például megkeverhetik a genomjukat). Például a vírusok az antibiotikum-rezisztencia génjeit egyik baktériumról a másikra hordozzák, és végül a gyógyszerrezisztens törzsek érvényesülhetnek. Luis Camarillo-Guerrero szerint idővel az ilyen génátvitel komoly evolúciós elmozdulásokat okozhat egy adott populációban – és nem csak a baktériumokban. Így egyes becslések szerint az emberi DNS 8%-a vírus eredetű. Így például emlős őseink a vírustól kapták a méhlepény kialakulásához szükséges gént.

A vírusok viselkedésével kapcsolatos számos kérdés megoldásához a tudósoknak nem csupán a genomjukra lesz szükségük. Meg kell találni a vírus gazdáit is. Ebben az esetben a nyom magában a vírusban raktározódhat: a vírus például tartalmazhatja a gazdaszervezet genetikai anyagának felismerhető fragmentumát a saját genomjában.

Manuel Martinez-Garcia mikrobiológus és munkatársai egysejtű genomika segítségével azonosították a nemrég felfedezett 37-F6 vírust tartalmazó mikrobákat. A vírus gazdaszervezete a Pelagibacter baktérium, amely az egyik legelterjedtebb és legváltozatosabb tengeri élőlény. A világóceán egyes vidékein a Pelagibacter a vizeiben élő összes sejt csaknem felét teszi ki. Martinez-Garcia folytatja, ha a 37-F6 vírus hirtelen eltűnne, a vízi élőlények élete súlyosan megzavarná.

A tudósoknak ki kell találniuk, hogyan változtatja meg gazdáját, hogy teljes képet kapjanak egy adott vírus hatásáról – magyarázza Alexandra Worden evolúciós ökológus, az Ocean Science Center munkatársa. Helmholtz (GEOMAR) a németországi Kielben. Warden olyan óriási vírusokat tanulmányoz, amelyek a rodopszin nevű fluoreszcens fehérje génjeit hordozzák.

Elvileg ezek a gének hasznosak lehetnek a gazdaszervezetek számára is, például energiaátvitelre vagy jelek továbbítására, de ezt a tényt még nem erősítették meg. Annak érdekében, hogy megtudja, mi történik a rodopszin génekkel, Alexandra Vorden azt tervezi, hogy a gazdaszervezetet (gazdaszervezetet) a vírussal együtt tenyészti, hogy tanulmányozza ennek a párnak (gazda-vírus) működési mechanizmusát, egyetlen komplexbe egyesülve. - "virocell".

"Csak a sejtbiológián keresztül lehet megmondani, hogy mi ennek a jelenségnek az igazi szerepe, és pontosan hogyan hat a szénciklusra" - teszi hozzá Warden.

Maya Brightbart floridai otthonában nem tenyésztett a Gasteracantha cancriformis pókokból izolált vírusokat, de egy-két dolgot sikerült megtudnia róluk. Az ezekben a pókokban talált két, korábban ismeretlen vírus abba a csoportba tartozik, amelyet Brightbart "csodálatosnak" minősített – és mindezt apró genomjuk miatt: az első a fehérjeburok, a második a replikációs fehérje génjét kódolja.

Mivel az egyik ilyen vírus csak a pók testében van jelen, a lábában nem, Brightbart úgy véli, hogy valójában az a funkciója, hogy megfertőzze a zsákmányt, amelyet később a pók megeszik. A második vírus a pók testének különböző területein - a tojások és az utódok karmai között - megtalálható, így Brightbart úgy véli, hogy ez a vírus szülőről utódra terjed. Brightbart szerint ez a vírus ártalmatlan a pókra nézve.

Tehát a vírusokat "valójában a legkönnyebb megtalálni" - mondja Maya Brightbart. Sokkal nehezebb meghatározni azt a mechanizmust, amellyel a vírusok befolyásolják a gazdaszervezet életciklusát és ökológiáját. De először a virológusoknak meg kell válaszolniuk az egyik legnehezebb kérdést, emlékeztet Brightbart: "Honnan tudjuk, hogy melyiket vizsgáljuk meg az elején?"