Virologiska upptäckter kan förändra biologin

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Virus är små men "otroligt kraftfulla varelser" utan vilka vi inte skulle överleva. Deras inflytande på vår planet är obestridligt. Det är lätt att hitta dem, forskare fortsätter att identifiera tidigare okända typer av virus. Men hur mycket vet vi om dem? Hur vet vi vilken vi ska undersöka först?

SARS-CoV-2 coronavirus är bara ett av flera miljoner virus som lever på vår planet. Forskare identifierar snabbt många nya typer.

Maya Breitbart har letat efter nya virus i afrikanska termithögar, antarktiska sälar och Röda havet. Men, som det visade sig, för att verkligen hitta något var hon bara tvungen att titta in i sin hemträdgård i Florida. Där, runt poolen, kan du hitta orb-web spindlar av arten Gasteracantha cancriformis.

De har en ljus färg och rundade vita kroppar, på vilka svarta prickar och sex scharlakansröda taggar märks, liknar ett besynnerligt vapen från medeltiden. Men inne i dessa spindlars kroppar fick Maya Brightbart en överraskning: när Brightbart, expert på viral ekologi vid University of South Florida i St. okänd för vetenskapen.

Som ni vet, sedan 2020, har vi, vanliga människor, varit upptagna av bara ett särskilt farligt virus som alla känner till nu, men det finns många andra virus som ännu inte har upptäckts. Enligt forskare, cirka 10³¹olika viruspartiklar, vilket är tio miljarder gånger det ungefärliga antalet stjärnor i det observerbara universum.

Det står nu klart att ekosystem och enskilda organismer är beroende av virus. Virus är små, men otroligt kraftfulla varelser, de påskyndade den evolutionära utvecklingen under miljontals år, med deras hjälp genomfördes överföringen av gener mellan värdorganismer. Virus som levde i världshaven dissekerade mikroorganismer, kastade deras innehåll i vattenmiljön och berikade näringsväven med näringsämnen. "Vi skulle inte ha överlevt utan virus", säger virologen Curtis Suttle vid University of British Columbia i Vancouver, Kanada.

International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) fann att det för närvarande finns 9 110 olika typer av virus i världen, men detta är uppenbarligen en liten bråkdel av deras totala mängd. Detta beror delvis på det faktum att den officiella klassificeringen av virus tidigare krävde att forskare odlade viruset i värdorganismen eller dess celler; denna process är tidskrävande och ibland verkar orealistiskt komplicerad.

Det andra skälet är att man inom den vetenskapliga forskningen har lagt tonvikten på att hitta de virus som orsakar sjukdomar hos människor eller i andra levande organismer som är av visst värde för människor, det gäller till exempel husdjur och grödor.

Likväl, som covid-19-pandemin påminde oss, är det viktigt att studera virus som kan överföras från en värdorganism till en annan, och detta är just hotet mot människor, såväl som mot husdjur eller grödor.

Under det senaste decenniet har antalet kända virus skjutit i höjden på grund av förbättringar inom detektionstekniken, och även på grund av en nyligen genomförd förändring av reglerna för att identifiera nya typer av virus, vilket gjorde det möjligt att upptäcka virus utan att behöva odla dem med en värdorganism.

En av de vanligaste metoderna är metagenomik. Det gör det möjligt för forskare att samla in prover av genom från miljön utan att behöva odla dem. Ny teknik som virussekvensering har lagt till fler virusnamn till listan, inklusive några som är förvånansvärt utbredda men fortfarande till stor del dolda för forskare.

"Nu är en bra tid att göra den här typen av forskning," säger Maya Brightbart. - Jag tror att det nu på många sätt är dags för viromet [virome - samlingen av alla virus som är karakteristiska för en enskild organism - ca Transl.]".

Bara under 2020 lade ICTV till 1 044 nya arter till sin officiella viruslista, med tusentals fler virus som väntar på beskrivning och än så länge namnlösa. Framväxten av en så stor variation av genom fick virologer att tänka om hur virus klassificeras och hjälpte till att klargöra processen för deras utveckling. Det finns starka bevis för att virus inte härrörde från en enda källa, utan förekom flera gånger.

Ändå är den verkliga storleken på det globala virala samhället i stort sett okänd, enligt virologen Jens Kuhn från US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) i Fort Detrick, Maryland: "Vi har verkligen ingen aning om att det är på gång."

Överallt och överallt

Varje virus har två egenskaper: för det första är genomet av varje virus inneslutet i en proteinhölje, och för det andra använder varje virus en främmande värdorganism - vare sig det är en man, en spindel eller en växt - för dess reproduktion. Men det finns otaliga variationer i detta allmänna schema.

Till exempel har små circovirus bara två eller tre gener, medan massiva mimivirus, som är större än vissa bakterier, har hundratals gener.

Till exempel finns det bakteriofager som liknar apparaten för att landa på månen något - dessa bakteriofager infekterar bakterier. Och, naturligtvis, nuförtiden känner alla till mördarbollarna översållade med törnen, vars bilder nu kanske är smärtsamt bekanta för varje person i alla länder i världen. Och virus har också denna funktion: en grupp virus lagrar sitt genom i form av DNA, medan den andra - i form av RNA.

Det finns till och med en bakteriofag som använder ett alternativt genetiskt alfabet, där kvävebasen A i det kanoniska ACGT-systemet ersätts av en annan molekyl betecknad med bokstaven Z [bokstaven A står för den kvävehaltiga basen "adenin", som är en del av nuklein syror (DNA och RNA); ACGT- kvävehaltiga baser som utgör DNA, nämligen: A - adenin, C - cytosin, G - guanin, T - tymin, - ca. transl.].

Virus är så allestädes närvarande och nyfikna att de kan dyka upp även om forskare inte letar efter dem. Så till exempel, Frederik Schulz hade inte för avsikt att studera virus alls, hans område för vetenskaplig forskning är sekvensen av genom från avloppsvatten. Som doktorand vid universitetet i Wien använde Schultz metagenomik för att hitta bakterier 2015. Med detta tillvägagångssätt isolerar forskare DNA från en rad organismer, mal dem i små bitar och sekvenserar dem. Sedan sätter ett datorprogram ihop individuella genom från dessa bitar. Denna procedur påminner om att sätta ihop flera hundra pussel samtidigt från separata fragment blandade med varandra.

Bland de bakteriella genomen kunde Schultz inte låta bli att lägga märke till en stor del av det virala genomet (uppenbarligen eftersom denna del hade gener för virala hölje), som inkluderade 1,57 miljoner baspar. Detta virala genom visade sig vara en jätte, det var en del av en grupp virus, vars medlemmar är jättevirus både i genomstorlek och i absoluta dimensioner (vanligtvis 200 nanometer eller mer i diameter). Detta virus infekterar amöbor, alger och andra protozoer och påverkar därigenom akvatiska ekosystem, såväl som ekosystem på land.

Frederick Schultz, nu mikrobiolog vid det amerikanska energidepartementets Joint Genome Institute i Berkeley, Kalifornien, bestämde sig för att leta efter relaterade virus i metagenomiska databaser. År 2020 beskrev Schultz och hans kollegor i sin artikel mer än två tusen genom från gruppen som innehåller jättevirus. Kom ihåg att tidigare var endast 205 sådana genom inkluderade i de allmänt tillgängliga databaserna.

Dessutom var virologer också tvungna att titta in i människokroppen på jakt efter nya arter. Virusbioinformatikspecialist Luis Camarillo-Guerrero analyserade tillsammans med kollegor från Senger Institute i Hinkston (UK) mänskliga tarmmetagenomer och skapade en databas som innehåller mer än 140 000 bakteriofagarter. Mer än hälften av dem var okända för vetenskapen.

Forskarnas gemensamma studie, publicerad i februari, sammanföll med andra forskares resultat att en av de vanligaste grupperna av virus som infekterar mänskliga tarmbakterier är en grupp som kallas crAssphage (uppkallad efter korsmonteringsprogrammet som upptäckte det 2014). Trots det överflöd av virus som finns representerade i denna grupp vet forskarna lite om hur virus från denna grupp deltar i den mänskliga mikrobiomet, säger Camarillo-Guerrero, som nu arbetar för DNA-sekvenseringsföretaget Illumina (Illumina ligger i Cambridge, Storbritannien).

Metagenomics har upptäckt många virus, men samtidigt ignorerar metagenomics många virus. I typiska metagenomer sekvenseras inte RNA-virus, så mikrobiolog Colin Hill från Irish National University i Cork, Irland, och hans kollegor sökte efter dem i RNA-databaser som kallas metatranskript.

Forskare brukar referera till dessa data när de studerar gener i en population, d.v.s. de gener som aktivt omvandlas till budbärar-RNA [budbärar-RNA (eller mRNA) kallas även budbärar-RNA (mRNA) - ca. transl.] involverad i produktionen av proteiner; men genomen av RNA-virus kan också hittas där. Med hjälp av beräkningstekniker för att extrahera sekvenser från data fann teamet 1 015 virala genom i metatrancryptomer från silt- och vattenprover. Tack vare forskarnas arbete har informationen om kända virus ökat avsevärt efter att bara en artikel dök upp.

Tack vare dessa metoder är det möjligt att av misstag samla in genom som inte finns i naturen, men för att förhindra detta har forskare lärt sig att använda kontrollmetoder. Men det finns andra svagheter också. Det är till exempel extremt svårt att isolera vissa typer av virus med stor genetisk mångfald, eftersom det är svårt för datorprogram att pussla ihop olika gensekvenser.

Ett alternativt tillvägagångssätt är att sekvensera varje viralt genom separat, vilket görs av mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia vid universitetet i Alicante i Spanien. Efter att ha passerat havsvatten genom filter isolerade han några specifika virus, amplifierade deras DNA och fortsatte med sekvensering.

Efter första försöket hittade han 44 genom. Det visade sig att ett av dem är en typ av ett av de vanligaste virusen som lever i havet. Detta virus har en så stor genetisk mångfald (dvs de genetiska fragmenten av dess virala partiklar är så olika i olika virala partiklar) att dess genom aldrig har förekommit i metagenomisk forskning. Forskare kallade den "37-F6" på grund av dess placering på en laboratorieskål. Martinez-Garcia skämtade dock, med tanke på genomets förmåga att gömma sig i sikte, borde det ha fått namnet 007 efter superagenten James Bond.

Släktträd av virus

Sådana havsvirus, lika hemliga som James Bond, har inte ett officiellt latinskt namn, liksom de flesta av de flera tusen virusgenom som upptäckts under det senaste decenniet med hjälp av metagenomik. Dessa genomiska sekvenser ställde en svår fråga för ICTV: Räcker ett genom för att namnge viruset? Fram till 2016 fanns följande ordning: om forskare föreslog någon ny typ av virus eller taxonomisk grupp för ICTV, var det, med sällsynta undantag, nödvändigt att tillhandahålla i kulturen inte bara detta virus, utan också värdorganismen. Men 2016, efter intensiv debatt, var virologer överens om att ett genom skulle räcka.

Ansökningar om nya virus och grupper av virus började komma. Men de evolutionära förhållandena mellan dessa virus har ibland förblivit oklara. Virologer brukar klassificera virus baserat på deras form (till exempel "lång", "tunn", "huvud och svans") eller baserat på deras genom (DNA eller RNA, enkel- eller dubbelsträngat), men dessa egenskaper säger oss förvånansvärt lite. om deras gemensamma ursprung. Till exempel verkar virus med dubbelsträngade DNA-genom ha sitt ursprung i minst fyra olika situationer.

Den initiala klassificeringen av ICTV-virus (vilket innebär att trädet av virus och trädet av cellulära livsformer existerar separat från varandra) inkluderade endast de lägre stegen i den evolutionära hierarkin, allt från arter och släkten till den nivå som, enligt klassificering av flercelligt liv, motsvarar primater eller barrträd. Det fanns inga högre nivåer av den evolutionära hierarkin av virus. Och många virusfamiljer existerade isolerat, utan några kopplingar till andra typer av virus. Så under 2018 lade ICTV till högre ordningsnivåer för att klassificera virus: klasser, typer och världar.

Överst i klassificeringen av virus placerar ICTV grupper som kallas "sfärer" (riker), som är analoger av "domäner" för cellulära livsformer (bakterier, arkéer och eukaryoter), dvs. ICTV använde ett annat ord för att skilja mellan de två träden. (För flera år sedan föreslog vissa forskare att vissa virus förmodligen skulle kunna passa in i trädet av cellulära livsformer, men denna idé har inte fått allmänt godkännande.)

ICTV har skisserat grenarna av virusträdet och tilldelat RNA-virus till en region som kallas Riboviria; förresten, en del av detta område är SARS-CoV-2-viruset och andra koronavirus, vars genom är enkelsträngade RNA. Men sedan var det stora samfundet av virologer tvunget att föreslå ytterligare taxonomiska grupper. Det råkar vara så att evolutionsbiologen Eugene Koonin från National Center for Biotechnology Information i Bethesda, Maryland, samlade ett team av forskare för att komma på ett första sätt att kategorisera virus. För detta ändamål beslutade Kunin att analysera alla virala genom, såväl som resultaten av studier på virala proteiner.

De omorganiserade Riboviria-regionen och föreslog ytterligare tre riken. Det har varit kontroverser över några av detaljerna, sa Kunin, men 2020 godkändes systematiseringen av ICTV-medlemmar utan större svårighet. Ytterligare två världar fick grönt ljus 2021, enligt Kunin, men de ursprungliga fyra kommer sannolikt att förbli de största. I slutändan, föreslår Kunin, kan antalet världar vara så högt som 25.

Detta nummer bekräftar misstanken hos många forskare: virus har inte en gemensam förfader. "Det finns ingen enskild stamfader för alla virus", säger Kunin. "Det finns bara inte." Detta betyder att virus sannolikt har dykt upp flera gånger under hela livets historia på jorden. Vi har alltså ingen anledning att säga att virus inte kan dyka upp igen. "Nya virus dyker ständigt upp i naturen", säger virologen Mart Krupovic vid Institut Pasteur i Paris, som har varit involverad i både ICTV:s beslutsfattande och Kuningruppens forskningsarbete om systematisering.

Virologer har flera hypoteser om orsakerna till riken. Kanske härstammade rikena från oberoende genetiska element vid livets gryning på planeten jorden, redan innan celler bildades. Eller så kanske de lämnade hela celler, "rymde" från dem och övergav de flesta av de cellulära mekanismerna för att behålla sin existens på en miniminivå. Kunin och Krupovich är för hybridhypotesen, enligt vilken dessa primära genetiska element "stal" det genetiska materialet från cellen för att bygga viruspartiklar. Eftersom det finns många hypoteser om viruss ursprung är det mycket möjligt att det finns många sätt att se ut på, säger virologen Jens Kuhn, som arbetat i ICTV-kommittén med ett förslag till en ny systematisering av virus.

Trots det faktum att de virala och cellulära träden är olika, berör deras grenar inte bara, utan utbyter också gener. Så var ska virus klassificeras - levande eller livlösa? Svaret beror på hur du definierar "levande". Många forskare anser inte att viruset är en levande varelse, medan andra inte håller med. "Jag tenderar att tro att de lever", säger bioinformatikforskaren Hiroyuki Ogata, som forskar om virus vid Kyoto University i Japan. "De utvecklas, de har genetiskt material gjort av DNA och RNA. Och de är en mycket viktig faktor i utvecklingen av allt levande."

Den nuvarande klassificeringen är allmänt accepterad och representerar det första försöket att generalisera olika virus, även om vissa virologer anser att den är något oprecis. Ett dussin virusfamiljer har fortfarande ingen koppling till någon värld. "De goda nyheterna är att vi försöker sätta åtminstone lite ordning i den här röran", tillägger mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

De förändrade världen

Den totala massan av virus som lever på jorden motsvarar 75 miljoner blåvalar. Forskare är övertygade om att virus påverkar näringsnät, ekosystem och till och med atmosfären på vår planet. Enligt miljövirologispecialisten Matthew Sullivan från Ohio State University i Columbus upptäcker forskare alltmer nya typer av virus, där forskare "upptäcker tidigare okända sätt på vilka virus har en direkt inverkan på ekosystemen." Forskare försöker kvantifiera denna virala exponering.

"För tillfället har vi ingen enkel förklaring till att fenomenet äger rum", säger Hiroyuki Ogata.

I världshaven kan virus lämna sina värdmikrober och frigöra kol, som kommer att återvinnas av andra varelser som äter insidan av dessa värdmikrober och sedan släpper ut koldioxid. Men på senare tid har forskare också kommit fram till att celler som spricker ofta klumpar sig och sjunker till botten av världshaven och binder kol från atmosfären.

Smältande permafrost på land är huvudkällan till kolgenerering, sa Matthew Sullivan, och virus verkar hjälpa till att frigöra kol från mikroorganismer i denna miljö. Under 2018 beskrev Sullivan och hans kollegor 1 907 virala genom och deras fragment som samlats in under upptining av permafrost i Sverige, inklusive gener för proteiner som på något sätt kan påverka processen för sönderfall av kolföreningar och, möjligen, processen för deras omvandling till växthusgaser.

Virus kan också påverka andra organismer (till exempel blanda deras genom). Till exempel bär virus gener för antibiotikaresistens från en bakterie till en annan, och läkemedelsresistenta stammar kan så småningom råda. Enligt Luis Camarillo-Guerrero kan sådan genöverföring med tiden orsaka allvarliga evolutionära förändringar i en viss population – och inte bara i bakterier. Således, enligt vissa uppskattningar, är 8% av mänskligt DNA av viralt ursprung. Så, till exempel, var det från viruset som våra däggdjursförfäder fick den gen som var nödvändig för utvecklingen av moderkakan.

Forskare kommer att behöva mer än bara deras genom för att lösa många av frågorna om virusens beteende. Det är också nödvändigt att hitta värdarna för viruset. I det här fallet kan ledtråden lagras i själva viruset: viruset kan till exempel innehålla ett igenkännbart fragment av värdens genetiska material i sitt eget genom.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia och kollegor har använt encellig genomik för att identifiera mikrober som innehåller det nyligen upptäckta 37-F6-viruset. Värdorganismen för detta virus är bakterien Pelagibacter, som är en av de mest utbredda och mångsidiga marina organismerna. I vissa regioner av världshaven står Pelagibacter för nästan hälften av alla celler som lever i dess vatten. Om 37-F6-viruset plötsligt försvann, fortsätter Martinez-Garcia, skulle livet för vattenlevande organismer störas allvarligt.

Forskare måste ta reda på hur den byter värd för att få en fullständig bild av effekterna av ett visst virus, förklarar evolutionära ekologen Alexandra Worden från Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) i Kiel, Tyskland. Warden studerar jättevirus som bär gener för ett fluorescerande protein som kallas rhodopsin.

I princip kan dessa gener också vara användbara för värdorganismer, till exempel för att överföra energi eller överföra signaler, men detta faktum har ännu inte bekräftats. För att ta reda på vad som händer med rhodopsingenerna planerar Alexandra Vorden att odla värdorganismen (värden) tillsammans med viruset för att studera mekanismen för funktionen hos detta par (värdvirus), förenat till ett enda komplex - "virocell".

"Det är bara genom cellbiologi som du kan berätta vad den verkliga rollen för detta fenomen är och exakt hur det påverkar kolets kretslopp", tillägger Warden.

I sitt hem i Florida odlade Maya Brightbart inte virus isolerade från spindlarna Gasteracantha cancriformis, men hon lyckades lära sig ett och annat om dem. De två tidigare okända virus som hittats i dessa spindlar tillhör gruppen som Brightbart har beskrivit som "fantastiska" - och allt på grund av deras små genom: det första kodar för genen för proteinhöljet, det andra - genen för replikationsproteinet.

Eftersom ett av dessa virus bara finns i spindelns kropp, men inte i dess ben, tror Brightbart att dess funktion i själva verket är att infektera bytesdjur, som sedan äts av spindeln. Det andra viruset kan hittas i olika områden av spindelns kropp - i kopplingen av ägg och avkommor - så Brightbart tror att detta virus överförs från förälder till avkomma. Enligt Brightbart är detta virus ofarligt för spindeln.

Så virus är "faktiskt det enklaste att hitta", säger Maya Brightbart. Det är mycket svårare att bestämma mekanismen genom vilken virus påverkar värdorganismens livscykel och ekologi. Men först måste virologer svara på en av de svåraste frågorna, Brightbart påminner oss: "Hur vet vi vilken vi ska undersöka från början?"