Virologie-ontdekkings kan biologie verander

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Virusse is klein maar “ongelooflik kragtige wesens” waarsonder ons nie sou oorleef nie. Hulle invloed op ons planeet is onmiskenbaar. Dit is maklik om hulle te vind, wetenskaplikes gaan voort om voorheen onbekende tipes virusse te identifiseer. Maar hoeveel weet ons van hulle? Hoe weet ons watter een om eerste te ondersoek?

Die SARS-CoV-2-koronavirus is net een van 'n paar miljoen virusse wat op ons planeet leef. Wetenskaplikes identifiseer vinnig baie nuwe tipes.

Maya Breitbart het gesoek na nuwe virusse in Afrika-termiethope, Antarktiese robbe en die Rooi See. Maar, soos dit geblyk het, om regtig iets te vind, moes sy net na haar huistuin in Florida kyk. Daar, rondom die swembad, kan jy bolwebspinnekoppe van die spesie Gasteracantha cancriformis vind.

Hulle het 'n helder kleur en geronde wit liggame, waarop swart spikkels en ses bloedrooi dorings opmerklik is, soortgelyk aan 'n vreemde wapen uit die Middeleeue. Maar binne die liggame van hierdie spinnekoppe was Maya Brightbart in vir 'n verrassing: toe Brightbart, 'n kenner in virale ekologie aan die Universiteit van Suid-Florida in St. onbekend aan die wetenskap.

Soos u weet, is ons, gewone mense, sedert 2020 besig met net een besonder gevaarlike virus wat nou aan almal bekend is, maar daar is baie ander virusse wat nog nie opgespoor is nie. Volgens wetenskaplikes is ongeveer 10³¹verskillende virale deeltjies, wat tien biljoen keer die benaderde aantal sterre in die waarneembare heelal is.

Dit is nou duidelik dat ekosisteme en individuele organismes van virusse afhanklik is. Virusse is klein, maar ongelooflike kragtige wesens, hulle het evolusionêre ontwikkeling oor miljoene jare versnel, met hul hulp is die oordrag van gene tussen gasheerorganismes uitgevoer. Virusse wat in die wêreld se oseane gewoon het, het mikro-organismes gedissekteer, hul inhoud in die wateromgewing gegooi en die voedselweb met voedingstowwe verryk. “Ons sou nie sonder virusse oorleef het nie,” sê viroloog Curtis Suttle van die Universiteit van British Columbia in Vancouver, Kanada.

Die Internasionale Komitee vir Taksonomie van Virusse (ICTV) het bevind dat daar tans 9 110 verskillende tipes virusse in die wêreld is, maar dit is natuurlik 'n klein fraksie van hul totaal. Dit is deels te wyte aan die feit dat die amptelike klassifikasie van virusse in die verlede wetenskaplikes vereis het om die virus in die gasheerorganisme of sy selle te kweek; hierdie proses is tydrowend en lyk soms onrealisties ingewikkeld.

Die tweede rede is dat daar in die loop van wetenskaplike navorsing klem gelê is op die vind van daardie virusse wat siektes by mense of in ander lewende organismes veroorsaak wat van sekere waarde vir die mens is, dit gaan byvoorbeeld plaasdiere en gewasse aan.

Nietemin, soos die covid-19-pandemie ons herinner het, is dit belangrik om virusse te bestudeer wat van een gasheerorganisme na 'n ander oorgedra kan word, en dit is juis die bedreiging vir mense, sowel as vir mak diere of gewasse.

Oor die afgelope dekade het die aantal bekende virusse die hoogte ingeskiet as gevolg van verbeterings in opsporingstegnologie, en ook weens 'n onlangse verandering in die reëls vir die identifisering van nuwe tipes virusse, wat dit moontlik gemaak het om virusse op te spoor sonder dat dit nodig was om dit te kweek met 'n gasheerorganisme.

Een van die mees algemene metodes is metagenomika. Dit stel wetenskaplikes in staat om monsters van genome uit die omgewing te versamel sonder dat dit nodig is om dit te kweek. Nuwe tegnologieë soos virusvolgorde het meer virusname by die lys gevoeg, insluitend sommige wat verbasend wydverspreid is, maar steeds grootliks vir wetenskaplikes versteek is.

"Dit is nou 'n goeie tyd om hierdie soort navorsing te doen," sê Maya Brightbart. - Ek dink dat dit in baie opsigte nou die tyd is vir die virome [virome - die versameling van alle virusse wat kenmerkend is van 'n individuele organisme - ongeveer Transl.] ".

In 2020 alleen het ICTV 1 044 nuwe spesies by sy amptelike viruslys gevoeg, met nog duisende virusse wat op beskrywing wag en tot dusver nie genoem nie. Die opkoms van so 'n groot verskeidenheid genome het viroloë aangespoor om te heroorweeg hoe virusse geklassifiseer word en het gehelp om die proses van hul evolusie te verduidelik. Daar is sterk bewyse dat virusse nie van 'n enkele bron afkomstig is nie, maar verskeie kere voorgekom het.

Tog is die ware grootte van die globale virale gemeenskap grootliks onbekend, volgens viroloog Jens Kuhn van die US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) in Fort Detrick, Maryland: "Ons het regtig geen idee dat daar aan die gang is nie."

Oral en oral

Enige virus het twee eienskappe: eerstens is die genoom van elke virus in 'n proteïenbedekking ingesluit, en tweedens gebruik elke virus 'n vreemde gasheerorganisme - of dit nou 'n man, 'n spinnekop of 'n plant is - vir die doel van sy voortplanting. Maar daar is ontelbare variasies in hierdie algemene skema.

Klein sirkovirusse het byvoorbeeld net twee of drie gene, terwyl massiewe mimivirusse, wat groter is as sommige bakterieë, honderde gene het.

Daar is byvoorbeeld bakteriofage wat ietwat soortgelyk is aan die apparaat om op die maan te land – hierdie bakteriofage besmet bakterieë. En natuurlik weet almal deesdae van die moordende balle wat met dorings besaai is, waarvan die beelde nou miskien pynlik bekend is aan elke persoon in enige land van die wêreld. En virusse het ook hierdie kenmerk: een groep virusse stoor hul genoom in die vorm van DNA, terwyl die ander - in die vorm van RNA.

Daar is selfs 'n bakteriofaag wat 'n alternatiewe genetiese alfabet gebruik, waarin die stikstofbasis A in die kanoniese ACGT-stelsel vervang word deur 'n ander molekule wat deur die letter Z aangedui word [die letter A staan vir die stikstofbasis "adenien", wat deel is van nukleïen sure (DNA en RNA); ACGT- stikstofbasisse waaruit DNA bestaan, naamlik: A - adenien, C - sitosien, G - guanien, T - timien, - ongeveer. vertaal.].

Virusse is so alomteenwoordig en nuuskierig dat hulle kan verskyn selfs al soek wetenskaplikes nie daarna nie. So, byvoorbeeld, was Frederik Schulz glad nie van plan om virusse te bestudeer nie, sy gebied van wetenskaplike navorsing is die volgorde van genome uit afvalwater. As 'n gegradueerde student aan die Universiteit van Wene het Schultz in 2015 metagenomika gebruik om bakterieë te vind. Met hierdie benadering isoleer wetenskaplikes DNS van 'n reeks organismes, maal hulle in klein stukkies en volg hulle volgorde. Dan stel 'n rekenaarprogram individuele genome uit hierdie stukke saam. Hierdie prosedure herinner aan die samestelling van 'n paar honderd legkaarte gelyktydig uit afsonderlike fragmente wat met mekaar gemeng is.

Onder die bakteriese genome kon Schultz nie anders as om 'n groot deel van die virale genoom op te merk nie (blykbaar omdat hierdie stuk virale koevert-gene gehad het), wat 1,57 miljoen basispare ingesluit het. Hierdie virale genoom blyk 'n reus te wees, dit was deel van 'n groep virusse, waarvan die lede reuse-virusse is, beide in genoomgrootte en in absolute afmetings (gewoonlik 200 nanometer of meer in deursnee). Hierdie virus infekteer amoebes, alge en ander protosoë en beïnvloed sodoende akwatiese ekosisteme, sowel as ekosisteme op land.

Frederick Schultz, nou 'n mikrobioloog by die Amerikaanse departement van energie se gesamentlike genoominstituut in Berkeley, Kalifornië, het besluit om na verwante virusse in metagenomiese databasisse te soek. In 2020 het Schultz en sy kollegas in hul artikel meer as tweeduisend genome beskryf van die groep wat reuse-virusse bevat. Onthou dat voorheen slegs 205 sulke genome by die publiek beskikbare databasisse ingesluit is.

Boonop moes viroloë ook in die menslike liggaam kyk op soek na nuwe spesies. Luis Camarillo-Guerrero, spesialis in virusbio-informatika, het saam met kollegas van die Senger-instituut in Hinkston (VK), menslike derm-metagenome ontleed en 'n databasis geskep wat meer as 140 000 bakteriofaagspesies bevat. Meer as die helfte van hulle was onbekend aan die wetenskap.

Die wetenskaplikes se gesamentlike studie, gepubliseer in Februarie, het saamgeval met ander wetenskaplikes se bevindinge dat een van die mees algemene groepe virusse wat menslike dermbakterieë besmet, 'n groep is wat bekend staan as crAssphage (genoem na die kruis-samestellerprogram wat dit in 2014 ontdek het). Ten spyte van die oorvloed virusse wat in hierdie groep verteenwoordig word, weet wetenskaplikes min oor hoe virusse van hierdie groep aan die menslike mikrobioom deelneem, sê Camarillo-Guerrero, wat nou vir die DNA-volgordebepalingsmaatskappy Illumina (Illumina is geleë in Cambridge, VK) werk.

Metagenomics het baie virusse ontdek, maar terselfdertyd ignoreer metagenomics baie virusse. In tipiese metagenome word RNA-virusse nie in volgorde geplaas nie, so mikrobioloog Colin Hill van die Ierse Nasionale Universiteit in Cork, Ierland, en sy kollegas het daarna gesoek in RNA-databasisse wat metatranskripte genoem word.

Wetenskaplikes verwys gewoonlik na hierdie data wanneer hulle gene in 'n populasie bestudeer, m.a.w. daardie gene wat aktief in boodskapper-RNA omgeskakel word [boodskapper-RNA (of mRNA) word ook boodskapper-RNA (mRNA) genoem - ongeveer. vertaal.] betrokke by die produksie van proteïene; maar die genome van RNA-virusse kan ook daar gevind word. Met behulp van berekeningstegnieke om volgordes uit data te onttrek, het die span 1 015 virale genome in metatranskriptome van slik- en watermonsters gevind. Danksy die werk van wetenskaplikes het inligting oor bekende virusse aansienlik toegeneem nadat slegs een artikel verskyn het.

Danksy hierdie metodes is dit moontlik om per ongeluk genome te versamel wat nie in die natuur bestaan nie, maar om dit te voorkom, het wetenskaplikes geleer om beheermetodes te gebruik. Maar daar is ook ander swakhede. Dit is byvoorbeeld uiters moeilik om sekere tipes virusse met groot genetiese diversiteit te isoleer, aangesien dit moeilik is vir rekenaarprogramme om uiteenlopende geenvolgordes saam te voeg.

’n Alternatiewe benadering is om elke virale genoom afsonderlik te volg, soos gedoen word deur mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia van die Universiteit van Alicante in Spanje. Nadat hy seewater deur filters gelaat het, het hy 'n paar spesifieke virusse geïsoleer, hul DNA versterk en met volgordebepaling voortgegaan.

Ná die eerste probeerslag het hy 44 genome gevind. Dit het geblyk dat een van hulle 'n tipe van een van die mees algemene virusse is wat in die see woon. Hierdie virus het so 'n groot genetiese diversiteit (m.a.w. die genetiese fragmente van sy virale deeltjies is so verskillend in verskillende virale deeltjies) dat sy genoom nog nooit in metagenomika-navorsing verskyn het nie. Wetenskaplikes het dit "37-F6" genoem vanweë sy ligging op 'n laboratoriumskottel. Martinez-Garcia het egter geskerts, gegewe die genoom se vermoë om in die oog te skuil, moes dit 007 na die superagent James Bond genoem gewees het.

Stambome van virusse

Sulke oseaanvirusse, so geheimsinnig soos James Bond, het nie 'n amptelike Latynse naam nie, net soos die meeste van die etlike duisende virale genome wat oor die afgelope dekade ontdek is met behulp van metagenomika. Hierdie genomiese volgordes het 'n moeilike vraag vir ICTV gestel: Is een genoom genoeg om die virus te noem? Tot 2016 het die volgende volgorde bestaan: as wetenskaplikes enige nuwe tipe virus of taksonomiese groep vir ICTV voorgestel het, dan was dit, met seldsame uitsonderings, nodig om nie net hierdie virus in kultuur te voorsien nie, maar ook die gasheerorganisme. Maar in 2016, na intense debat, het viroloë saamgestem dat een genoom genoeg sou wees.

Aansoeke vir nuwe virusse en groepe virusse het begin opdaag. Maar die evolusionêre verwantskappe tussen hierdie virusse het soms onduidelik gebly. Viroloë klassifiseer gewoonlik virusse op grond van hul vorm (byvoorbeeld "lank", "dun", "kop en stert") of op grond van hul genome (DNS of RNA, enkel- of dubbelstring), maar hierdie eienskappe vertel ons verbasend min. oor hul gemeenskaplike oorsprong. Byvoorbeeld, virusse met dubbelstring-DNS-genome het in ten minste vier verskillende situasies ontstaan.

Die aanvanklike klassifikasie van ICTV-virusse (wat impliseer dat die boom van virusse en die boom van sellulêre lewensvorme apart van mekaar bestaan) het slegs die onderste trappe van die evolusionêre hiërargie ingesluit, wat wissel van spesies en genera tot die vlak wat volgens die klassifikasie van meersellige lewe, is gelykstaande aan primate of konifere. Daar was geen hoër vlakke van die evolusionêre hiërargie van virusse nie. En baie virusfamilies het in isolasie bestaan, sonder enige skakels met ander soorte virusse. Dus, in 2018 het ICTV hoër ordevlakke bygevoeg om virusse te klassifiseer: klasse, tipes en ryke.

Heel boaan die klassifikasie van virusse sit ICTV groepe genaamd "realms" (realms), wat analoë is van "domeine" vir sellulêre lewensvorme (bakterieë, archaea en eukariote), d.w.s. ICTV het 'n ander woord gebruik om tussen die twee bome te onderskei. ('n Paar jaar gelede het sommige wetenskaplikes voorgestel dat sommige virusse waarskynlik in die boom van sellulêre lewensvorme kan pas; maar hierdie idee het nie wydverspreide goedkeuring gekry nie.)

ICTV het die takke van die virusboom uiteengesit en RNA-virusse aan 'n streek genaamd Riboviria toegeken; terloops, deel van hierdie area is die SARS-CoV-2-virus en ander koronavirusse, waarvan die genome enkelstring-RNA's is. Maar toe moes die groot gemeenskap van viroloë bykomende taksonomiese groepe voorstel. Dit gebeur net so dat die evolusionêre bioloog Eugene Koonin van die Nasionale Sentrum vir Biotegnologie-inligting in Bethesda, Maryland, 'n span wetenskaplikes bymekaargemaak het om met 'n eerste manier vorendag te kom om virusse te kategoriseer. Vir hierdie doel het Kunin besluit om alle virale genome te ontleed, sowel as die resultate van studies oor virale proteïene.

Hulle het die Riboviria-streek herorganiseer en nog drie ryke voorgestel. Daar was kontroversies oor sommige van die besonderhede, het Kunin gesê, maar in 2020 is die sistematisering sonder veel moeite deur ICTV-lede goedgekeur. Nog twee ryke is in 2021 die groen lig gegee, volgens Kunin, maar die oorspronklike vier sal waarskynlik die grootste bly. Op die ou end, stel Kunin voor, kan die aantal ryke so hoog as 25 wees.

Hierdie getal bevestig die vermoede van baie wetenskaplikes: virusse het nie 'n gemeenskaplike voorouer nie. "Daar is geen enkele stamvader vir alle virusse nie," sê Kunin. "Dit bestaan net nie." Dit beteken dat virusse waarskynlik verskeie kere deur die geskiedenis van lewe op aarde verskyn het. Ons het dus geen rede om te sê dat virusse nie weer kan verskyn nie. “Nuwe virusse verskyn voortdurend in die natuur,” sê viroloog Mart Krupovic van die Institut Pasteur in Parys, wat betrokke was by sowel ICTV se besluitneming as die navorsingswerk van die Kunin-groep oor sistematisering.

Viroloë het verskeie hipoteses oor die oorsake van ryke. Miskien het die ryke ontstaan uit onafhanklike genetiese elemente met die aanbreek van lewe op planeet Aarde, selfs voordat selle gevorm is. Of dalk het hulle heel selle gelos, van hulle "ontsnap" en die meeste van die sellulêre meganismes laat vaar om hul bestaan op 'n minimum vlak te handhaaf. Kunin en Krupovich is ten gunste van die hibriede hipotese, waarvolgens hierdie primêre genetiese elemente die genetiese materiaal uit die sel "gesteel" het om virale deeltjies te bou. Aangesien daar baie hipoteses oor die oorsprong van virusse is, is dit heel moontlik dat daar baie maniere is van hul voorkoms, sê viroloog Jens Kuhn, wat op die ICTV-komitee gewerk het aan 'n voorstel vir 'n nuwe sistematisering van virusse.

Ten spyte van die feit dat die virale en sellulêre bome verskil, raak hul takke nie net aan nie, maar ruil hulle ook gene uit. So waar moet virusse geklassifiseer word - lewend of leweloos? Die antwoord hang af van hoe jy "lewendig" definieer. Baie wetenskaplikes beskou die virus nie as 'n lewende wese nie, terwyl ander nie saamstem nie. "Ek is geneig om te glo dat hulle lewe," sê bioinformatika-wetenskaplike Hiroyuki Ogata, wat virusse aan die Kyoto-universiteit in Japan navors. “Hulle ontwikkel, hulle het genetiese materiaal gemaak van DNA en RNA. En hulle is 'n baie belangrike faktor in die evolusie van alle lewende dinge."

Die huidige klassifikasie word algemeen aanvaar en verteenwoordig die eerste poging om die verskeidenheid virusse te veralgemeen, hoewel sommige viroloë meen dat dit ietwat onakkuraat is.’n Dosyn virusfamilies het steeds geen verbintenis met enige ryk nie. "Die goeie nuus is dat ons probeer om ten minste 'n bietjie orde in hierdie gemors te plaas," voeg mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia by.

Hulle het die wêreld verander

Die totale massa virusse wat op aarde leef is gelykstaande aan 75 miljoen blouwalvisse. Wetenskaplikes is vol vertroue dat virusse voedselwebbe, ekosisteme en selfs die atmosfeer van ons planeet beïnvloed. Volgens die omgewingsvirologiespesialis Matthew Sullivan van die Ohio State University in Columbus ontdek wetenskaplikes toenemend nuwe soorte virusse, met navorsers wat "voorheen onbekende maniere ontdek waarop virusse 'n direkte impak op ekosisteme het." Wetenskaplikes probeer om hierdie virale blootstelling te kwantifiseer.

"Op die oomblik het ons geen eenvoudige verduideliking vir die verskynsels wat plaasvind nie," sê Hiroyuki Ogata.

In die wêreld se oseane kan virusse hul gasheermikrobes verlaat, wat koolstof vrystel, wat herwin sal word deur ander wesens wat die binnekant van hierdie gasheermikrobes eet en dan koolstofdioksied vrystel. Maar meer onlangs het wetenskaplikes ook tot die gevolgtrekking gekom dat selle wat bars dikwels saamklonter en na die bodem van die wêreld se oseane sink en koolstof uit die atmosfeer bind.

Smeltende permafrost op land is die hoofbron van koolstofgenerering, het Matthew Sullivan gesê, en virusse blyk te help om koolstof uit mikroörganismes in hierdie omgewing vry te stel. Sullivan en sy kollegas het in 2018 1 907 virale genome en hul fragmente beskryf wat tydens die ontdooiing van permafrost in Swede versamel is, insluitend gene vir proteïene wat op een of ander manier die proses van verval van koolstofverbindings kan beïnvloed en moontlik die proses van hul transformasie in kweekhuisgasse.

Virusse kan ook ander organismes beïnvloed (byvoorbeeld, skuifel hul genome). Virusse dra byvoorbeeld gene vir antibiotika-weerstandigheid van een bakterie na 'n ander, en middelweerstandige stamme kan uiteindelik die oorhand kry. Volgens Luis Camarillo-Guerrero kan sulke geenoordrag met verloop van tyd ernstige evolusionêre verskuiwings in’n bepaalde bevolking veroorsaak – en nie net in bakterieë nie. Dus, volgens sommige skattings, is 8% van menslike DNA van virale oorsprong. So, byvoorbeeld, was dit van die virus dat ons soogdier-voorouers die geen ontvang het wat nodig is vir die ontwikkeling van die plasenta.

Wetenskaplikes sal meer as net hul genome nodig hê om baie van die vrae oor die gedrag van virusse op te los. Dit is ook nodig om die gashere van die virus te vind. In hierdie geval kan die leidraad in die virus self gestoor word: die virus kan byvoorbeeld 'n herkenbare fragment van die gasheer se genetiese materiaal in sy eie genoom bevat.

Mikrobioloog Manuel Martinez-Garcia en kollegas het enkelselgenomika gebruik om mikrobes te identifiseer wat die onlangs ontdekte 37-F6-virus bevat. Die gasheerorganisme van hierdie virus is die bakterie Pelagibacter, wat een van die mees wydverspreide en diverse mariene organismes is. In sommige streke van die wêreld se oseane is Pelagibacter verantwoordelik vir byna die helfte van al die selle wat in sy waters woon. As die 37-F6-virus skielik verdwyn, gaan Martinez-Garcia voort, sal die lewe van waterorganismes ernstig ontwrig word.

Wetenskaplikes moet uitvind hoe dit sy gasheer verander om 'n volledige prentjie van die impak van 'n spesifieke virus te kry, verduidelik die evolusionêre ekoloog Alexandra Worden van die Ocean Science Centre. Helmholtz (GEOMAR) in Kiel, Duitsland. Warden bestudeer reuse-virusse wat gene dra vir 'n fluoresserende proteïen genaamd rhodopsin.

In beginsel kan hierdie gene ook bruikbaar wees vir gasheerorganismes, byvoorbeeld vir doeleindes soos die oordrag van energie of die oordrag van seine, maar hierdie feit is nog nie bevestig nie. Om uit te vind wat met die rodopsien-gene gebeur, beplan Alexandra Vorden om die gasheerorganisme (gasheer) saam met die virus te kweek om die meganisme van die funksionering van hierdie paar (gasheer-virus), verenig in 'n enkele kompleks, te bestudeer. - "virocell".

“Dit is slegs deur selbiologie dat jy kan sê wat die ware rol van hierdie verskynsel is en presies hoe dit die koolstofsiklus beïnvloed,” voeg Warden by.

By haar huis in Florida het Maya Brightbart nie virusse gekweek wat van die spinnekoppe Gasteracantha cancriformis geïsoleer is nie, maar sy het dit reggekry om 'n ding of twee oor hulle te leer. Die twee voorheen onbekende virusse wat in hierdie spinnekoppe gevind is, behoort aan die groep wat Brightbart as “verstommend” beskryf het – en dit alles vanweë hul klein genome: die eerste kodeer die geen vir die proteïenbedekking, die tweede – die geen vir die replikasieproteïen.

Aangesien een van hierdie virusse slegs in die spinnekop se liggaam voorkom, maar nie in sy bene nie, glo Brightbart dat dit eintlik die funksie daarvan is om prooi te besmet, wat daarna deur die spinnekop geëet word. Die tweede virus kan in verskeie areas van die spinnekop se liggaam gevind word - in die klou van eiers en nageslag - so Brightbart glo dat hierdie virus van ouer na nageslag oorgedra word. Volgens Brightbart is hierdie virus skadeloos vir die spinnekop.

So virusse is "eintlik die maklikste om te vind," sê Maya Brightbart. Dit is baie moeiliker om die meganisme te bepaal waardeur virusse die lewensiklus en ekologie van die gasheerorganisme beïnvloed. Maar eers moet viroloë een van die moeilikste vrae beantwoord, herinner Brightbart ons: "Hoe weet ons watter een om aan die begin te ondersoek?"