Indholdsfortegnelse:

Virologiske opdagelser kan ændre biologien
Virologiske opdagelser kan ændre biologien

Video: Virologiske opdagelser kan ændre biologien

Video: Virologiske opdagelser kan ændre biologien
Video: WW2 - OverSimplified (Part 1) 2024, Marts
Anonim

Virus er små, men "utroligt kraftfulde væsner", uden hvilke vi ikke ville overleve. Deres indflydelse på vores planet er ubestridelig. Det er nemt at finde dem, forskerne fortsætter med at identificere hidtil ukendte typer af vira. Men hvor meget ved vi om dem? Hvordan ved vi, hvilken vi skal undersøge først?

SARS-CoV-2 coronavirus er blot en af flere millioner vira, der lever på vores planet. Forskere identificerer hurtigt mange nye typer.

Maya Breitbart har ledt efter nye vira i afrikanske termithøje, antarktiske sæler og Det Røde Hav. Men som det viste sig, for virkelig at finde noget, skulle hun bare kigge ind i sin hjemmehave i Florida. Der, omkring poolen, kan du finde orb-web edderkopper af arten Gasteracantha cancriformis.

Billede
Billede

De har en lys farve og afrundede hvide kroppe, på hvilke sorte pletter og seks skarlagenrøde torne er mærkbare, svarende til et besynderligt våben fra middelalderen. Men inde i disse edderkoppers kroppe fik Maya Brightbart en overraskelse: da Brightbart, en ekspert i viral økologi ved University of South Florida i St. ukendt for videnskaben.

Som du ved, har vi, almindelige mennesker, siden 2020 kun været optaget af én særlig farlig virus, som alle kender til nu, men der er mange andre vira, som endnu ikke er blevet opdaget. Ifølge videnskabsmænd er omkring 1031forskellige viruspartikler, hvilket er ti milliarder gange det omtrentlige antal stjerner i det observerbare univers.

Det er nu klart, at økosystemer og individuelle organismer er afhængige af vira. Vira er små, men utroligt kraftfulde væsner, de accelererede evolutionær udvikling over millioner af år, med deres hjælp blev overførslen af gener mellem værtsorganismer udført. Ved at leve i verdenshavene dissekerede vira mikroorganismer, smed deres indhold ud i vandmiljøet og berigede fødenettet med næringsstoffer. "Vi ville ikke have overlevet uden vira," siger virolog Curtis Suttle fra University of British Columbia i Vancouver, Canada.

Billede
Billede

International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) fandt ud af, at der i øjeblikket er 9.110 forskellige typer vira i verden, men dette er naturligvis en lille brøkdel af deres samlede. Dette skyldes til dels, at den officielle klassificering af vira tidligere krævede, at forskere dyrkede virussen i værtsorganismen eller dens celler; denne proces er tidskrævende og virker nogle gange urealistisk kompliceret.

Den anden grund er, at der i den videnskabelige forskning blev lagt vægt på at finde de vira, der forårsager sygdomme hos mennesker eller i andre levende organismer, som er af en vis værdi for mennesker, for eksempel drejer det sig om husdyr og afgrøder.

Ikke desto mindre, som covid-19-pandemien mindede os om, er det vigtigt at studere vira, der kan overføres fra en værtsorganisme til en anden, og det er netop truslen mod mennesker, såvel som for husdyr eller afgrøder.

Billede
Billede

I løbet af det seneste årti er antallet af kendte vira steget i vejret på grund af forbedringer i detektionsteknologien, og også på grund af en nylig ændring af reglerne for identifikation af nye typer af vira, som gjorde det muligt at opdage vira uden at skulle dyrke dem med en værtsorganisme.

En af de mest almindelige metoder er metagenomics. Det giver forskere mulighed for at indsamle prøver af genomer fra miljøet uden at skulle dyrke dem. Nye teknologier såsom virussekventering har føjet flere virusnavne til listen, inklusive nogle, der er overraskende udbredte, men stadig stort set skjult for videnskabsmænd.

"Nu er et godt tidspunkt at lave denne form for forskning," siger Maya Brightbart. - Jeg tror, at det nu på mange måder er tiden for viromet [virome - samlingen af alle vira, der er karakteristiske for en individuel organisme - ca.]".

Alene i 2020 føjede ICTV 1.044 nye arter til sin officielle virusliste, med tusindvis flere vira, der afventer beskrivelse og indtil videre unavngivne. Fremkomsten af en så stor variation af genomer fik virologer til at genoverveje den måde, vira klassificeres på, og hjalp med at afklare processen med deres udvikling. Der er stærke beviser for, at vira ikke stammer fra en enkelt kilde, men forekom flere gange.

Alligevel er den sande størrelse af det globale virale samfund stort set ukendt, ifølge virolog Jens Kuhn fra US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) i Fort Detrick, Maryland: "Vi aner virkelig ikke, at der foregår."

Overalt og overalt

Enhver virus har to egenskaber: For det første er genomet af hver virus indesluttet i en proteinkappe, og for det andet bruger hver virus en fremmed værtsorganisme - det være sig en mand, en edderkop eller en plante - med henblik på dens reproduktion. Men der er utallige variationer i denne generelle ordning.

For eksempel har små cirkovira kun to eller tre gener, mens massive mimivira, som er større end nogle bakterier, har hundredvis af gener.

Billede
Billede

For eksempel er der bakteriofager, der minder lidt om apparatet til landing på månen – disse bakteriofager inficerer bakterier. Og selvfølgelig kender alle i dag om de dræberkugler, der er besat med torne, hvis billeder nu måske er smerteligt velkendte for enhver person i ethvert land i verden. Og vira har også denne funktion: en gruppe af vira gemmer deres genom i form af DNA, mens den anden - i form af RNA.

Der er endda en bakteriofag, der bruger et alternativt genetisk alfabet, hvor den nitrogenholdige base A i det kanoniske ACGT-system er erstattet af et andet molekyle, der er betegnet med bogstavet Z [bogstavet A står for den nitrogenholdige base "adenin", som er en del af nuklein syrer (DNA og RNA); ACGT- nitrogenholdige baser, der udgør DNA, nemlig: A - adenin, C - cytosin, G - guanin, T - thymin, - ca. overs.].

Vira er så allestedsnærværende og nysgerrige, at de kan dukke op, selvom forskerne ikke leder efter dem. Så for eksempel havde Frederik Schulz slet ikke tænkt sig at studere vira, hans område for videnskabelig forskning er sekvensen af genomer fra spildevand. Som kandidatstuderende ved universitetet i Wien brugte Schultz metagenomics til at finde bakterier i 2015. Med denne tilgang isolerer videnskabsmænd DNA fra en række organismer, maler dem i små stykker og sekventerer dem. Derefter samler et computerprogram individuelle genomer fra disse stykker. Denne procedure minder om at samle flere hundrede puslespil på én gang fra separate fragmenter blandet med hinanden.

Blandt de bakterielle genomer kunne Schultz ikke undgå at bemærke en enorm del af det virale genom (tilsyneladende fordi denne del havde virale kappegener), som omfattede 1,57 millioner basepar. Dette virale genom viste sig at være en kæmpe, det var en del af en gruppe af vira, hvis medlemmer er gigantiske vira både i genomstørrelse og i absolutte dimensioner (normalt 200 nanometer eller mere i diameter). Denne virus inficerer amøber, alger og andre protozoer og påvirker derved akvatiske økosystemer såvel som økosystemer på land.

Frederick Schultz, nu mikrobiolog ved US Department of Energy's Joint Genome Institute i Berkeley, Californien, besluttede at lede efter relaterede vira i metagenomiske databaser. I 2020 beskrev Schultz og hans kolleger i deres artikel mere end to tusinde genomer fra gruppen, der indeholder gigantiske vira. Husk på, at tidligere var kun 205 sådanne genomer inkluderet i de offentligt tilgængelige databaser.

Derudover skulle virologer også kigge ind i menneskekroppen på jagt efter nye arter. Virusbioinformatikspecialist Luis Camarillo-Guerrero analyserede sammen med kolleger fra Senger Institute i Hinkston (UK) menneskelige tarmmetagenomer og skabte en database med mere end 140.000 bakteriofagarter. Mere end halvdelen af dem var ukendte for videnskaben.

Forskernes fælles undersøgelse, offentliggjort i februar, faldt sammen med andre forskeres resultater om, at en af de mest almindelige grupper af vira, der inficerer menneskelige tarmbakterier, er en gruppe kendt som crAssphage (opkaldt efter cross-assembler-programmet, der opdagede det i 2014). På trods af den overflod af vira, der er repræsenteret i denne gruppe, ved forskerne kun lidt om, hvordan vira fra denne gruppe deltager i det menneskelige mikrobiom, siger Camarillo-Guerrero, som nu arbejder for DNA-sekventeringsfirmaet Illumina (Illumina er beliggende i Cambridge, Storbritannien).

Metagenomics har opdaget mange vira, men samtidig ignorerer metagenomics mange vira. I typiske metagenomer er RNA-vira ikke sekventeret, så mikrobiolog Colin Hill fra Irish National University i Cork, Irland, og hans kolleger søgte efter dem i RNA-databaser kaldet metatranskripter.

Billede
Billede

Forskere henviser normalt til disse data, når de studerer gener i en population, dvs. de gener, der aktivt omdannes til messenger-RNA [budbringer-RNA (eller mRNA) kaldes også messenger-RNA (mRNA) - ca. overs.] involveret i produktionen af proteiner; men genomerne af RNA-vira kan også findes der. Ved at bruge beregningsteknikker til at udtrække sekvenser fra data fandt holdet 1.015 virale genomer i metatrancryptomer fra silt- og vandprøver. Takket være videnskabsmænds arbejde er oplysningerne om kendte vira steget betydeligt, efter kun en artikel dukkede op.

Takket være disse metoder er det muligt ved et uheld at indsamle genomer, der ikke findes i naturen, men for at forhindre dette har forskere lært at bruge kontrolmetoder. Men der er også andre svagheder. For eksempel er det ekstremt svært at isolere visse typer af vira med stor genetisk diversitet, da det er svært for computerprogrammer at sammenstykke forskellige gensekvenser.

En alternativ tilgang er at sekventere hvert viralt genom separat, som det er gjort af mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia fra universitetet i Alicante i Spanien. Efter at have passeret havvand gennem filtre, isolerede han nogle specifikke vira, amplificerede deres DNA og fortsatte med sekventering.

Efter det første forsøg fandt han 44 genomer. Det viste sig, at en af dem er en type af en af de mest almindelige vira, der lever i havet. Denne virus har så stor en genetisk diversitet (dvs. de genetiske fragmenter af dens virale partikler er så forskellige i forskellige viruspartikler), at dens genom aldrig har optrådt i metagenomisk forskning. Forskere kaldte den "37-F6" på grund af dens placering på en laboratoriefad. Martinez-Garcia jokede dog, i betragtning af genomets evne til at gemme sig i almindeligt syn, burde det have fået navnet 007 efter superagenten James Bond.

Stamtræer af virus

Sådanne havvira, så hemmelighedsfulde som James Bond, har ikke et officielt latinsk navn, ligesom de fleste af de flere tusinde virale genomer, der er opdaget i løbet af det sidste årti ved hjælp af metagenomics. Disse genomiske sekvenser stillede et vanskeligt spørgsmål for ICTV: Er ét genom nok til at navngive virussen? Indtil 2016 eksisterede følgende rækkefølge: hvis videnskabsmænd foreslog en ny type virus eller taksonomisk gruppe til ICTV, så var det med sjældne undtagelser nødvendigt at tilføre kulturen ikke kun denne virus, men også værtsorganismen. Men i 2016, efter intens debat, blev virologer enige om, at et genom ville være nok.

Ansøgninger om nye vira og grupper af vira begyndte at komme. Men de evolutionære forhold mellem disse vira er nogle gange forblevet uklare. Virologer klassificerer normalt vira baseret på deres form (for eksempel "lang", "tynd", "hoved og hale") eller baseret på deres genomer (DNA eller RNA, enkelt- eller dobbeltstrenget), men disse egenskaber fortæller os overraskende lidt. om deres fælles oprindelse. For eksempel ser vira med dobbeltstrengede DNA-genomer ud til at være opstået i mindst fire forskellige situationer.

Den indledende klassificering af ICTV-vira (hvilket indebærer, at virustræet og træet af cellulære livsformer eksisterer adskilt fra hinanden) omfattede kun de lavere trin i det evolutionære hierarki, der spændte fra arter og slægter til det niveau, der ifølge klassificering af flercellet liv, svarer til primater eller nåletræer. Der var ingen højere niveauer af det evolutionære hierarki af vira. Og mange virusfamilier eksisterede isoleret uden nogen forbindelse med andre typer vira. Så i 2018 tilføjede ICTV højere ordensniveauer for at klassificere vira: klasser, typer og riger.

Helt øverst i klassificeringen af vira ICTV sætter grupper kaldet "riger" (riger), som er analoger af "domæner" for cellulære livsformer (bakterier, arkæer og eukaryoter), dvs. ICTV brugte et andet ord til at skelne mellem de to træer. (For adskillige år siden foreslog nogle videnskabsmænd, at nogle vira sandsynligvis kunne passe ind i træet af cellulære livsformer; men denne idé har ikke modtaget udbredt godkendelse.)

ICTV har skitseret grenene af virustræet og tildelt RNA-vira til en region kaldet Riboviria; i øvrigt er en del af dette område SARS-CoV-2-virus og andre coronavirus, hvis genomer er enkeltstrengede RNA'er. Men så måtte det store samfund af virologer foreslå yderligere taksonomiske grupper. Det er bare sådan, at evolutionsbiolog Eugene Koonin fra National Center for Biotechnology Information i Bethesda, Maryland, samlede et hold videnskabsmænd for at komme med en første måde at kategorisere vira på. Til dette formål besluttede Kunin at analysere alle virale genomer såvel som resultaterne af undersøgelser af virale proteiner.

De omorganiserede Riboviria-regionen og foreslog yderligere tre riger. Der har været kontroverser om nogle af detaljerne, sagde Kunin, men i 2020 blev systematiseringen godkendt af ICTV-medlemmer uden de store vanskeligheder. Yderligere to riger fik grønt lys i 2021, ifølge Kunin, men de oprindelige fire forbliver sandsynligvis de største. I sidste ende, foreslår Kunin, kan antallet af riger være så højt som 25.

Dette tal bekræfter mistanken hos mange videnskabsmænd: vira har ikke en fælles forfader. "Der er ingen enkelt stamfader for alle vira," siger Kunin. "Det eksisterer bare ikke." Dette betyder, at vira sandsynligvis er dukket op flere gange gennem livets historie på Jorden. Vi har således ingen grund til at sige, at vira ikke kan dukke op igen. "Der dukker hele tiden nye vira op i naturen," siger virolog Mart Krupovic fra Institut Pasteur i Paris, som har været involveret i både ICTV's beslutningstagning og Kunin-gruppens forskningsarbejde om systematisering.

Virologer har flere hypoteser om årsagerne til riger. Måske stammer rigerne fra uafhængige genetiske elementer ved livets begyndelse på planeten Jorden, selv før celler blev dannet. Eller måske forlod de hele celler, "flygtede" fra dem, og opgav de fleste af de cellulære mekanismer for at opretholde deres eksistens på et minimumsniveau. Kunin og Krupovich går ind for hybridhypotesen, ifølge hvilken disse primære genetiske elementer "stjal" det genetiske materiale fra cellen for at bygge virale partikler. Da der er mange hypoteser om viras oprindelse, er det meget muligt, at der er mange måder at optræde på, siger virolog Jens Kuhn, der har arbejdet i ICTV-udvalget på et forslag til en ny systematisering af vira.

På trods af at de virale og cellulære træer er forskellige, rører deres grene ikke kun gener, men udveksler også gener. Så hvor skal vira klassificeres - levende eller livløse? Svaret afhænger af, hvordan du definerer "levende". Mange videnskabsmænd anser ikke virussen for at være et levende væsen, mens andre er uenige. "Jeg har en tendens til at tro, at de er i live," siger bioinformatikforsker Hiroyuki Ogata, som forsker i vira ved Kyoto Universitet i Japan. "De udvikler sig, de har genetisk materiale lavet af DNA og RNA. Og de er en meget vigtig faktor i udviklingen af alle levende ting."

Den nuværende klassificering er bredt accepteret og repræsenterer det første forsøg på at generalisere mangfoldigheden af vira, selvom nogle virologer mener, at den er noget upræcis. Et dusin af virusfamilier har stadig ingen forbindelse til noget rige. "Den gode nyhed er, at vi i det mindste prøver at skabe orden i dette rod," tilføjer mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

De ændrede verden

Den samlede masse af vira, der lever på Jorden, svarer til 75 millioner blåhvaler. Forskere er overbeviste om, at vira påvirker fødevæv, økosystemer og endda atmosfæren på vores planet. Ifølge miljøvirologispecialist Matthew Sullivan fra Ohio State University i Columbus opdager forskere i stigende grad nye typer vira, hvor forskere "opdager hidtil ukendte måder, hvorpå vira har en direkte indvirkning på økosystemer." Forskere forsøger at kvantificere denne virale eksponering.

"I øjeblikket har vi ikke nogen simpel forklaring på de fænomener, der finder sted," siger Hiroyuki Ogata.

I verdenshavene kan vira forlade deres værtsmikrober og frigive kulstof, som vil blive genbrugt af andre væsner, der spiser indersiden af disse værtsmikrober og derefter frigiver kuldioxid. Men for nylig er forskere også kommet til den konklusion, at sprængende celler ofte klumper sig og synker til bunden af verdenshavene og binder kulstof fra atmosfæren.

Smeltende permafrost på land er hovedkilden til kulstofdannelse, sagde Matthew Sullivan, og vira ser ud til at hjælpe med at frigive kulstof fra mikroorganismer i dette miljø. I 2018 beskrev Sullivan og hans kolleger 1.907 virale genomer og deres fragmenter indsamlet under optøning af permafrost i Sverige, herunder gener for proteiner, der på en eller anden måde kan påvirke processen med henfald af kulstofforbindelser og muligvis processen med deres omdannelse til drivhusgasser.

Vira kan også påvirke andre organismer (for eksempel blande deres genomer). For eksempel bærer vira gener for antibiotikaresistens fra en bakterie til en anden, og lægemiddelresistente stammer kan i sidste ende sejre. Ifølge Luis Camarillo-Guerrero kan en sådan genoverførsel over tid forårsage alvorlige evolutionære skift i en bestemt population – og ikke kun i bakterier. Ifølge nogle skøn er 8% af menneskets DNA således af viral oprindelse. Så det var for eksempel fra virussen, at vores pattedyrs forfædre modtog det gen, der var nødvendigt for udviklingen af moderkagen.

Forskere vil få brug for mere end blot deres genomer for at løse mange af spørgsmålene om viras adfærd. Det er også nødvendigt at finde virussens værter. I dette tilfælde kan ledetråden lagres i selve virussen: virussen kan for eksempel indeholde et genkendeligt fragment af værtens genetiske materiale i sit eget genom.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia og kolleger har brugt enkeltcellet genomik til at identificere mikrober, der indeholder det nyligt opdagede 37-F6-virus. Værtsorganismen for denne virus er bakterien Pelagibacter, som er en af de mest udbredte og mangfoldige marine organismer. I nogle områder af verdenshavene tegner Pelagibacter sig for næsten halvdelen af alle de celler, der lever i dens farvande. Hvis 37-F6-virussen pludselig forsvandt, fortsætter Martinez-Garcia, ville vandorganismers liv blive alvorligt forstyrret.

Forskere skal finde ud af, hvordan den ændrer vært for at få et komplet billede af virkningen af en bestemt virus, forklarer evolutionær økolog Alexandra Worden fra Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) i Kiel, Tyskland. Warden studerer gigantiske vira, der bærer gener for et fluorescerende protein kaldet rhodopsin.

Billede
Billede

I princippet kan disse gener også være nyttige for værtsorganismer, for eksempel til formål som at overføre energi eller sende signaler, men dette faktum er endnu ikke bekræftet. For at finde ud af, hvad der sker med rhodopsingenerne, planlægger Alexandra Vorden at dyrke værtsorganismen (vært) sammen med virussen for at studere mekanismen for funktionen af dette par (værtsvirus), forenet til et enkelt kompleks - "virocell".

"Det er kun gennem cellebiologi, at du kan fortælle, hvad den sande rolle af dette fænomen er, og præcis hvordan det påvirker kulstofkredsløbet," tilføjer Warden.

I sit hjem i Florida dyrkede Maya Brightbart ikke vira isoleret fra edderkopperne Gasteracantha cancriformis, men det lykkedes hende at lære en ting eller to om dem. De to hidtil ukendte vira fundet i disse edderkopper tilhører den gruppe, som Brightbart har beskrevet som "fantastiske" - og alt sammen på grund af deres bittesmå genomer: det første koder for genet for proteinkappen, det andet - genet for replikationsproteinet.

Da en af disse vira kun er til stede i edderkoppens krop, men ikke i dens ben, mener Brightbart, at dens funktion faktisk er at inficere bytte, som efterfølgende spises af edderkoppen. Den anden virus kan findes i forskellige områder af edderkoppens krop - i kløen af æg og afkom - så Brightbart mener, at denne virus overføres fra forælder til afkom. Ifølge Brightbart er denne virus uskadelig for edderkoppen.

Så vira er "faktisk de nemmeste at finde," siger Maya Brightbart. Det er meget vanskeligere at bestemme den mekanisme, hvorved vira påvirker værtsorganismens livscyklus og økologi. Men først skal virologer besvare et af de sværeste spørgsmål, Brightbart minder os om: "Hvordan ved vi, hvilken vi skal undersøge i starten?"

Anbefalede: