Virologické objevy by mohly změnit biologii

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Viry jsou malinká, ale „neuvěřitelně mocná stvoření“, bez kterých bychom nepřežili. Jejich vliv na naši planetu je nepopiratelný. Je snadné je najít, vědci pokračují v identifikaci dříve neznámých typů virů. Ale kolik toho o nich víme? Jak víme, který z nich prozkoumat jako první?

Koronavirus SARS-CoV-2 je jen jedním z několika milionů virů, které žijí na naší planetě. Vědci rychle identifikují mnoho nových typů.

Maya Breitbart hledala nové viry v afrických termitištích, antarktických tuleňech a Rudém moři. Ale jak se ukázalo, aby opravdu něco našla, musela se podívat do své domácí zahrady na Floridě. Tam, kolem bazénu, můžete najít kulovité pavouky druhu Gasteracantha cancriformis.

Mají jasnou barvu a zaoblená bílá těla, na kterých jsou patrné černé skvrny a šest šarlatových trnů, podobně jako výstřední zbraň ze středověku. Ale uvnitř těl těchto pavouků čekalo Mayu Brightbartovou překvapení: když Brightbart, odborník na virovou ekologii na University of South Florida v St.

Jak víte, od roku 2020 jsme my, obyčejní lidé, zaměstnáni pouze jedním zvláště nebezpečným virem, který je nyní všem známý, ale existuje mnoho dalších virů, které dosud nebyly detekovány. Podle vědců asi 10³¹různé virové částice, což je deset miliardkrát více než přibližný počet hvězd v pozorovatelném vesmíru.

Nyní je jasné, že ekosystémy a jednotlivé organismy jsou závislé na virech. Viry jsou drobní, ale neuvěřitelně mocní tvorové, urychlili evoluční vývoj v průběhu milionů let, s jejich pomocí se prováděl přenos genů mezi hostitelskými organismy. Viry žijící ve světových oceánech pitvaly mikroorganismy, vyhazovaly jejich obsah do vodního prostředí a obohacovaly potravní síť živinami. "Bez virů bychom nepřežili," říká virolog Curtis Suttle z University of British Columbia v kanadském Vancouveru.

Mezinárodní výbor pro taxonomii virů (ICTV) zjistil, že v současnosti existuje na světě 9 110 samostatných typů virů, ale to je zjevně nepatrný zlomek jejich celkového počtu. To je částečně způsobeno tím, že oficiální klasifikace virů v minulosti vyžadovala, aby vědci kultivovali virus v hostitelském organismu nebo jeho buňkách; tento proces je časově náročný a někdy se zdá nerealisticky komplikovaný.

Druhým důvodem je, že při vědeckém bádání byl kladen důraz na nalezení těch virů, které způsobují onemocnění člověka nebo jiných živých organismů, které mají pro člověka určitou hodnotu, např. jde o hospodářská zvířata a plodiny.

Nicméně, jak nám pandemie covid-19 připomněla, je důležité studovat viry, které se mohou přenášet z jednoho hostitelského organismu na druhý, a to je právě hrozba pro lidi, stejně jako pro domácí zvířata nebo plodiny.

Za poslední desetiletí počet známých virů prudce vzrostl díky zlepšení detekční technologie a také kvůli nedávné změně pravidel pro identifikaci nových typů virů, která umožnila detekovat viry bez nutnosti jejich kultivace pomocí hostitelský organismus.

Jednou z nejběžnějších metod je metagenomika. Umožňuje vědcům sbírat vzorky genomů z prostředí bez nutnosti jejich kultivace. Nové technologie, jako je sekvenování virů, přidaly na seznam další názvy virů, včetně těch, které jsou překvapivě rozšířené, ale vědcům stále z velké části skryté.

„Nyní je skvělý čas provést tento druh výzkumu,“říká Maya Brightbart. - Myslím, že v mnoha ohledech je nyní čas na virom [virom - soubor všech virů, které jsou charakteristické pro jednotlivý organismus - cca Transl.]“.

Jen v roce 2020 přidala ICTV na svůj oficiální seznam virů 1 044 nových druhů, přičemž tisíce dalších virů čekají na popis a zatím nejsou pojmenovány. Vznik tak velké rozmanitosti genomů přiměl virology k přehodnocení způsobu klasifikace virů a pomohl objasnit proces jejich evoluce. Existují pádné důkazy, že viry nepocházejí z jednoho zdroje, ale vyskytly se vícekrát.

Skutečná velikost globální virové komunity je však do značné míry neznámá, podle virologa Jense Kuhna z amerického Národního institutu pro alergie a infekční nemoci (NIAID) ve Fort Detricku v Marylandu: „Opravdu nemáme tušení, že se něco děje.“

Všude a všude

Každý virus má dvě vlastnosti: za prvé, genom každého viru je uzavřen v proteinovém obalu a za druhé každý virus používá cizí hostitelský organismus – ať už je to člověk, pavouk nebo rostlina – za účelem své reprodukce. Ale v tomto obecném schématu existuje nespočet variant.

Například drobné cirkoviry mají pouze dva nebo tři geny, zatímco masivní mimiviry, které jsou větší než některé bakterie, mají stovky genů.

Existují například bakteriofágy, které jsou poněkud podobné přístrojům pro přistání na Měsíci – tyto bakteriofágy infikují bakterie. A samozřejmě dnes každý ví o zabijáckých koulích posetých trny, jejichž obrazy dnes bolestně zná snad každý člověk v jakékoli zemi světa. A viry mají také tuto vlastnost: jedna skupina virů ukládá svůj genom ve formě DNA, zatímco druhá - ve formě RNA.

Existuje dokonce bakteriofág využívající alternativní genetickou abecedu, ve kterém je dusíkatá báze A v kanonickém systému ACGT nahrazena jinou molekulou označenou písmenem Z [písmeno A znamená dusíkatou bázi „adenin“, která je součástí nukleové kyseliny (DNA a RNA); ACGT- dusíkaté báze tvořící DNA, a to: A - adenin, C - cytosin, G - guanin, T - thymin, - cca. přel.].

Viry jsou tak všudypřítomné a zvědavé, že se mohou objevit, i když je vědci nehledají. Tak například Frederik Schulz vůbec neměl v úmyslu studovat viry, jeho oblastí vědeckého výzkumu je sekvence genomů z odpadních vod. Jako postgraduální student na Vídeňské univerzitě použil Schultz v roce 2015 metagenomiku k nalezení bakterií. S tímto přístupem vědci izolují DNA z řady organismů, rozdrtí je na malé kousky a sekvenují je. Z těchto kousků pak počítačový program sestaví jednotlivé genomy. Tento postup připomíná skládání několika stovek hlavolamů najednou ze samostatných fragmentů smíchaných mezi sebou.

Mezi bakteriálními genomy si Schultz nemohl nevšimnout obrovského kusu virového genomu (zřejmě proto, že tento kus měl geny virového obalu), který zahrnoval 1,57 milionu párů bází. Tento virový genom se ukázal být obřím, byl součástí skupiny virů, jejichž členy jsou obří viry jak velikostí genomu, tak i absolutními rozměry (obvykle 200 nanometrů a více v průměru). Tento virus infikuje améby, řasy a další prvoky, a tím ovlivňuje vodní ekosystémy i ekosystémy na souši.

Frederick Schultz, nyní mikrobiolog ve Spojeném genomovém institutu amerického ministerstva energetiky v Berkeley v Kalifornii, se rozhodl hledat příbuzné viry v metagenomických databázích. V roce 2020 Schultz a jeho kolegové ve svém článku popsali více než dva tisíce genomů ze skupiny, která obsahuje obří viry. Připomeňme, že dříve bylo ve veřejně dostupných databázích zahrnuto pouze 205 takových genomů.

Kromě toho se virologové museli při hledání nových druhů podívat také do lidského těla. Specialista na virovou bioinformatiku Luis Camarillo-Guerrero spolu s kolegy ze Senger Institute v Hinkstonu (UK) analyzovali lidské střevní metagenomy a vytvořili databázi obsahující více než 140 000 druhů bakteriofágů. Více než polovina z nich byla vědě neznámá.

Společná studie vědců zveřejněná v únoru se shodovala se zjištěními jiných vědců, že jednou z nejběžnějších skupin virů, které infikují lidské střevní bakterie, je skupina známá jako crAssphage (pojmenovaná podle programu cross-assembler, který ji objevil v roce 2014).. Navzdory velkému množství virů zastoupených v této skupině vědci vědí jen málo o tom, jak se viry této skupiny podílejí na lidském mikrobiomu, říká Camarillo-Guerrero, který nyní pracuje pro společnost Illumina pro sekvenování DNA (Illumina sídlí v Cambridge ve Spojeném království).

Metagenomika objevila mnoho virů, ale zároveň mnoho virů metagenomika ignoruje. V typických metagenomech nejsou RNA viry sekvenovány, a tak je mikrobiolog Colin Hill z Irské národní univerzity v irském Corku a jeho kolegové hledali v RNA databázích zvaných metatranskripty.

Na tato data se vědci obvykle odvolávají při studiu genů v populaci, tzn. ty geny, které se aktivně přeměňují na messenger RNA [messenger RNA (nebo mRNA) se také nazývá messenger RNA (mRNA) - cca. přel.] podílející se na produkci bílkovin; ale lze tam nalézt i genomy RNA virů. Pomocí výpočetních technik k extrakci sekvencí z dat tým našel 1 015 virových genomů v metatranskryptomech ze vzorků bahna a vody. Díky práci vědců se informace o známých virech výrazně zvýšily poté, co se objevil pouze jeden článek.

Díky těmto metodám je možné náhodně shromáždit genomy, které v přírodě neexistují, ale aby tomu zabránili, naučili se vědci používat kontrolní metody. Ale jsou tu i další slabiny. Například je extrémně obtížné izolovat určité typy virů s velkou genetickou rozmanitostí, protože pro počítačové programy je obtížné poskládat různé genové sekvence.

Alternativním přístupem je sekvenování každého virového genomu zvlášť, jak to dělá mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia z University of Alicante ve Španělsku. Po průchodu mořskou vodou přes filtry izoloval některé specifické viry, amplifikoval jejich DNA a přistoupil k sekvenování.

Po prvním pokusu našel 44 genomů. Ukázalo se, že jeden z nich je typem jednoho z nejběžnějších virů žijících v oceánu. Tento virus má tak velkou genetickou rozmanitost (tj. genetické fragmenty jeho virových částic jsou v různých virových částicích tak odlišné), že se jeho genom nikdy neobjevil v metagenomickém výzkumu. Vědci jej pojmenovali „37-F6“kvůli jeho umístění na laboratorní misce. Martinez-Garcia však vtipkoval, vzhledem ke schopnosti genomu se skrývat na očích měl být pojmenován 007 po super agentovi Jamesi Bondovi.

Rodokmeny virů

Takové oceánské viry, tak tajné jako James Bond, nemají oficiální latinský název, stejně jako většina z několika tisíc virových genomů objevených za poslední desetiletí pomocí metagenomiky. Tyto genomové sekvence položily pro ICTV obtížnou otázku: Stačí jeden genom k pojmenování viru? Až do roku 2016 existovalo toto pořadí: pokud vědci navrhli pro ICTV jakýkoli nový typ viru nebo taxonomickou skupinu, pak až na vzácné výjimky bylo nutné zajistit v kultuře nejen tento virus, ale i hostitelský organismus. V roce 2016 se ale virologové po intenzivní debatě shodli, že jeden genom bude stačit.

Začaly přicházet aplikace pro nové viry a skupiny virů. Ale evoluční vztahy mezi těmito viry někdy zůstávaly nejasné. Virologové obvykle klasifikují viry podle jejich tvaru (například „dlouhý“, „tenký“, „hlava a ocas“) nebo podle genomu (DNA nebo RNA, jednovláknová nebo dvouvláknová), ale tyto vlastnosti nám říkají překvapivě málo. o jejich společném původu. Například se zdá, že viry s genomy dvouvláknové DNA vznikly alespoň ve čtyřech různých situacích.

Počáteční klasifikace virů ICTV (což znamená, že strom virů a strom buněčných forem života existují odděleně od sebe) zahrnovala pouze nižší stupně evoluční hierarchie, od druhů a rodů až po úroveň, která podle klasifikace mnohobuněčného života, je ekvivalentní primátům nebo jehličnanům. Neexistovaly žádné vyšší úrovně evoluční hierarchie virů. A mnoho rodin virů existovalo izolovaně, bez jakéhokoli spojení s jinými typy virů. V roce 2018 tedy ICTV přidala vyšší řádové úrovně pro klasifikaci virů: třídy, typy a říše.

Na samém vrcholu klasifikace virů ICTV umístila skupiny zvané „říše“(říše), které jsou analogy „domény“pro buněčné formy života (bakterie, archaea a eukaryota), tj. ICTV použila k rozlišení mezi těmito dvěma stromy jiné slovo. (Před několika lety někteří vědci navrhli, že některé viry by pravděpodobně mohly zapadnout do stromu buněčných forem života; tato myšlenka však nezískala široké schválení.)

ICTV načrtla větve virového stromu a přiřadila RNA viry oblasti zvané Riboviria; mimochodem součástí této oblasti je virus SARS-CoV-2 a další koronaviry, jejichž genomy jsou jednovláknové RNA. Pak ale obrovská komunita virologů musela navrhnout další taxonomické skupiny. Náhodou se stalo, že evoluční biolog Eugene Koonin z Národního centra pro biotechnologické informace v Bethesdě v Marylandu shromáždil tým vědců, aby přišel s prvním způsobem kategorizace virů. Za tímto účelem se Kunin rozhodl analyzovat všechny virové genomy a také výsledky studií virových proteinů.

Reorganizovali oblast Riboviria a navrhli další tři říše. O některých detailech se vedly polemiky, řekl Kunin, ale v roce 2020 byla systemizace schválena členy ICTV bez větších problémů. Dvě další říše dostaly podle Kunina zelenou v roce 2021, ale původní čtyři pravděpodobně zůstanou největší. Nakonec, Kunin navrhuje, by počet realmů mohl být až 25.

Toto číslo potvrzuje podezření mnoha vědců: viry nemají společného předka. "Neexistuje jediný progenitor pro všechny viry," říká Kunin. "Prostě neexistuje." To znamená, že viry se pravděpodobně objevily několikrát během historie života na Zemi. Nemáme tedy důvod říkat, že se viry nemohou znovu objevit. "V přírodě se neustále objevují nové viry," říká virolog Mart Krupovic z Institutu Pasteur v Paříži, který se podílel jak na rozhodování ICTV, tak na výzkumné práci skupiny Kunin v oblasti systematizace.

Virologové mají několik hypotéz o příčinách říší. Možná, že říše vznikly z nezávislých genetických prvků na úsvitu života na planetě Zemi, ještě předtím, než byly vytvořeny buňky. Nebo možná opustili celé buňky, „unikli“z nich a opustili většinu buněčných mechanismů, aby si udrželi svou existenci na minimální úrovni. Kunin a Krupovič jsou pro hybridní hypotézu, podle níž tyto primární genetické prvky "ukradly" genetický materiál z buňky, aby vytvořily virové částice. Protože existuje mnoho hypotéz o původu virů, je docela možné, že existuje mnoho způsobů jejich vzhledu, říká virolog Jens Kuhn, který ve výboru ICTV pracoval na návrhu nové systemizace virů.

Navzdory skutečnosti, že virové a buněčné stromy jsou odlišné, jejich větve se nejen dotýkají, ale také si vyměňují geny. Kam by se tedy měly viry zařadit – živé nebo neživé? Odpověď závisí na tom, jak definujete „živý“. Mnoho vědců nepovažuje virus za živou bytost, zatímco jiní nesouhlasí. "Mám tendenci věřit, že jsou naživu," říká bioinformatický vědec Hiroyuki Ogata, který se zabývá výzkumem virů na Kjótské univerzitě v Japonsku. „Vyvíjejí se, mají genetický materiál vyrobený z DNA a RNA. A jsou velmi důležitým faktorem ve vývoji všeho živého."

Současná klasifikace je široce přijímána a představuje první pokus o zobecnění různých virů, ačkoli někteří virologové se domnívají, že je poněkud nepřesná. Tucet virových rodin stále nemá spojení s žádnou říší. „Dobrou zprávou je, že se snažíme v tomto nepořádku udělat alespoň nějaký pořádek,“dodává mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia.

Změnili svět

Celková masa virů žijících na Zemi odpovídá 75 milionům modrých velryb. Vědci jsou přesvědčeni, že viry ovlivňují potravní sítě, ekosystémy a dokonce i atmosféru naší planety. Podle specialisty na environmentální virologii Matthewa Sullivana z Ohio State University v Columbusu vědci stále častěji objevují nové typy virů, přičemž výzkumníci „objevují dříve neznámé způsoby, jak mají viry přímý dopad na ekosystémy“. Vědci se snaží kvantifikovat tuto virovou expozici.

„V tuto chvíli nemáme žádné jednoduché vysvětlení jevů, které se odehrávají,“říká Hiroyuki Ogata.

Ve světových oceánech mohou viry opustit své hostitelské mikroby a uvolňovat uhlík, který bude recyklován jinými tvory, kteří požírají vnitřnosti těchto hostitelských mikrobů a poté uvolňují oxid uhličitý. Nedávno ale vědci také dospěli k závěru, že praskající buňky se často shlukují a klesají na dno světových oceánů a vážou uhlík z atmosféry.

Tání permafrostu na souši je hlavním zdrojem tvorby uhlíku, řekl Matthew Sullivan, a zdá se, že viry pomáhají uvolňovat uhlík z mikroorganismů v tomto prostředí. Sullivan a jeho kolegové v roce 2018 popsali 1907 virových genomů a jejich fragmentů sesbíraných během tání permafrostu ve Švédsku, včetně genů pro proteiny, které mohou nějakým způsobem ovlivnit proces rozpadu uhlíkatých sloučenin a případně i proces jejich přeměny na skleníkové plyny..

Viry mohou ovlivnit i jiné organismy (například zamíchat jejich genomy). Viry například přenášejí geny pro rezistenci na antibiotika z jedné bakterie na druhou a nakonec mohou převládnout kmeny odolné vůči lékům. Podle Luise Camarillo-Guerrera může časem takový přenos genů způsobit vážné evoluční posuny v konkrétní populaci – a to nejen u bakterií. Podle některých odhadů je tedy 8 % lidské DNA virového původu. Takže například z viru dostali naši savčí předkové gen nezbytný pro vývoj placenty.

K vyřešení mnoha otázek o chování virů budou vědci potřebovat více než jen své genomy. Je také nutné najít hostitele viru. V tomto případě může být stopa uložena ve viru samotném: virus může například ve svém vlastním genomu obsahovat rozpoznatelný fragment genetického materiálu hostitele.

Mikrobiolog Manuel Martinez-Garcia a jeho kolegové použili jednobuněčnou genomiku k identifikaci mikrobů obsahujících nedávno objevený virus 37-F6. Hostitelským organismem tohoto viru je bakterie Pelagibacter, která je jedním z nejrozšířenějších a nejrozmanitějších mořských organismů. V některých oblastech světových oceánů tvoří Pelagibacter téměř polovinu všech buněk, které žijí v jeho vodách. Pokud by virus 37-F6 náhle zmizel, pokračuje Martinez-Garcia, život vodních organismů by byl vážně narušen.

Vědci potřebují zjistit, jak mění svého hostitele, aby získali úplný obrázek o dopadu konkrétního viru, vysvětluje evoluční ekoložka Alexandra Worden z Ocean Science Center. Helmholtz (GEOMAR) v německém Kielu. Warden studuje obří viry, které nesou geny pro fluorescenční protein zvaný rhodopsin.

V zásadě mohou být tyto geny také užitečné pro hostitelské organismy, například pro takové účely, jako je přenos energie nebo přenos signálů, ale tato skutečnost zatím nebyla potvrzena. Aby Alexandra Vorden zjistila, co se děje s geny pro rodopsin, plánuje kultivovat hostitelský organismus (hostitel) společně s virem, aby mohla studovat mechanismus fungování tohoto páru (hostitel-virus), sjednoceného do jediného komplexu. - "virocell".

„Pouze prostřednictvím buněčné biologie můžete říct, jaká je skutečná role tohoto jevu a jak přesně ovlivňuje uhlíkový cyklus,“dodává Warden.

Maya Brightbart ve svém domě na Floridě nekultivovala viry izolované od pavouků Gasteracantha cancriformis, ale dokázala se o nich něco dozvědět. Dva dříve neznámé viry nalezené v těchto pavoucích patří do skupiny, kterou Brightbart popsal jako „úžasné“– a to vše kvůli jejich malým genomům: první kóduje gen pro proteinový obal, druhý – gen pro replikační protein.

Protože jeden z těchto virů je přítomen pouze v těle pavouka, ale ne v jeho nohách, Brightbart věří, že ve skutečnosti je jeho funkcí infikovat kořist, kterou pavouk následně sežere. Druhý virus lze nalézt v různých oblastech pavoučího těla - ve snůšce vajíček a potomků - takže Brightbart věří, že se tento virus přenáší z rodiče na potomka. Podle Brightbarta je tento virus pro pavouka neškodný.

Takže viry jsou „ve skutečnosti nejsnáze k nalezení,“říká Maya Brightbart. Mnohem obtížnější je určit mechanismus, jakým viry ovlivňují životní cyklus a ekologii hostitelského organismu. Ale nejprve musí virologové odpovědět na jednu z nejtěžších otázek, připomíná Brightbart: "Jak poznáme, kterou z nich máme prozkoumat hned na začátku?"